Физика

Лазерные технологии - медицине

Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (город Шатура, Московская область) - один из лидеров в стране по разработке мощных технологических CO2-лазеров, а также оборудования на их основе. Здесь в последние годы осваивают новое направление, связанное с созданием систем для стереолитографии (так называют технологии быстрого "макетирования" опытных образцов), микро-, оптоэлектроники и биомедицины.

В настоящее время одним из самых перспективных методов эффективного лечения ишемической болезни сердца, по мнению автора, является так называемая трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация миокарда. Она подразумевает создание в сердечной мышце левого желудочка сквозных каналов, способствующих восстановлению ее кровоснабжения. Речь идет о новой процедуре, дополняющей широко распространенные методы байпасной (от анг. bypass - пропуск) хирургии и ангиопластики (восстановления суженных или блокированных артерий, вен).

Для этих операций в указанном институте разрабатывают и производят на базе мощного волноводного CO₂-лазера с воздушным охлаждением интеллектуальные системы "Перфокор", подающие излучение прямо к операционному столу с помощью зеркально-шарнирного оптического манипулятора. Применяемые в клинической практике с середины 1990-х годов, они в ряде случаев незаменимы. Дело в том, что при недостатке кровоснабжения сердечная мышца начинает болеть и постепенно отмирает. Традиционно избежать некроза ткани пациенту помогает аортокоронарное шунтирование, восстанавливающее нарушенный кровоток. Но через 10 - 15 лет шунт приходит в негодность, и операцию надо повторять. Более того, многим больным подобные процедуры по разным причинам вообще противопоказаны. Им-то на помощь и приходит лазер. Хирурги делают небольшое отверстие между ребрами - "коридорчик" к миокарду, через который "стреляют" в сердце мощным (порядка 40 Дж) лазерным импульсом, пробивая в нем отверстие. Кровотечение быстро прекращается, и организм сам начинает воссоздавать вокруг этого канала новые кровеносные сосуды. Вся операция занимает не более получаса. Сотрудники Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева (Москва), где работает одна из двух изготовленных на сегодня установок (другая - в Московском областном научно-исследовательском клиническом институте им. М. Ф. Владимирского) утверждают: за несколько месяцев стажировки с помощью такой техники лазерную реваскуляризацию может проводить любой квалифицированный кардиохирург. А необходимость в подобных операциях велика: по самым скромным подсчетам, в них нуждаются около 100000 россиян.

При создании "Перфокора" специалисты из Шатуры тесно взаимодействовали с кардиологами и биологами. Ведь проколоть сердце нужно за одну вспышку в строго определенный момент кардиоцикла, иначе операция вызовет аритмию. Для этого установка снабжена системой автоматического управления, координирующей лазерные импульсы и осуществляющей синхронизацию между ними и биением сердца пациента.

Европейские медики, испытывавшие "Перфокор" (один из образцов был изготовлен для Чешской Республики), признали: по техническим характеристикам он не уступает, а по некоторым (энергетическая эффективность, качество излучения, весогабариты) превосходит аналог - "Heart Laser" фирмы PLC Medical System (США). Заметим: стоимость последнего - около 1 млн. дол., что делает его практически недоступным для большинства клиник. Отечественные интеллектуальные хирургические лазеры существенно дешевле, и наша производственная база позволяет без дополнительных капиталовложений выпускать 7 - 10 таких изделий в год.

Впрочем, сейчас ученые подмосковного института заняты производством еще одной новинки для медицины - установки с диагностикой испарения биотканей, основанной на эффекте Доплера*, подразумевающем изменение частоты и длины волн, вызванное движением их источника. Она помогает оперирующему врачу определять точные границы опухоли и удалять ее без повреждения соседних органов и тканей. Врачи положительно оценили важное свойство новой техники, связанное с возможностью ее настройки на различные по риску виды оперативных вмешательств. Если удаление злокачественных образований происходит вблизи жизненно важных органов, то хирург настраивает систему на отключение лазерного луча при переходе от одного типа ткани (удаляемой) к другому (сохраняемой). А если опухоль расположена в менее опасном месте, то техника срабатывает на звуковую сигнализацию в момент такого перехода. О том, что больные клетки удалены, и лазер выжигает уже здоровые, прибор сообщает через 10 с. Ни один даже самый опытный хирург не способен реагировать с такой скоростью! Разработчики из Шатуры гордятся тем, что их система не требует дополнительной диагностики. Ведь один и тот же луч выполняет функции и инструмента, и информационного канала.

Наталья Фирсова добавляет: к созданию установки с диагностикой испарения биотканей ученые Института проблем лазерных и информационных технологий приступили в 2002 г. вместе с коллегами из тульского Конструкторского бюро приборостроения. В настоящее время эксперименты продолжаются: необходимо как можно отчетливее и быстрее различать здоровые ткани и недоброкачественные опухоли. Испытания проходят в Московском научно-исследовательском онкологическом институте им. П. А. Герцена.

Несомненным вкладом в современную медицинскую физику является и разработанный здесь в 1990-х годах неразрушающий метод лазеро-индуцированного изменения форм хрящей. Не секрет: миллионы людей нуждаются в определенной коррекции: одним не нравится форма ушей, другие страдают от искривления носовой перегородки, у третьих проявляются последствия травм и т.д. Однако подобные косметические дефекты трудно поддаются лечению: хирургическое вмешательство часто не гарантирует должного результата. Прооперированные, они теряют упругость и через некоторое время, как правило, становятся такими же, как были до операции.

Специалисты института, изучая эту проблему, обнаружили такую закономерность: при тепловом воздействии лазерного излучения умеренной интенсивности хрящевая ткань пластично деформируется. И если ее кратковременно нагревать примерно до 70?C, то непременно произойдет перестройка внутренних механических напряжений, причем с фиксацией новой формы хряща.

Для отработки механизма и выбора режимов лазерной коррекции понадобились тщательные физико-химические и гистологические исследования. Осуществив их, ученые пришли к выводу: эффект изменения формы хрящей обусловлен фазовым переходом воды из связанного в свободное состояние, причем проявляется это при определенном тепловом режиме. Выяснилось и другое обстоятельство: воздействие лазерного источника тепла обеспечивает нагрев обрабатываемой ткани до температуры, необходимой для пластической деформации без повреждения ее структуры. В итоге доктор физико-математических наук Эмиль Соболь и его коллеги точно определили оптимальные параметры излучения, позволяющие превратить хрящ в "пластилин". Причем, запомнив новую форму, тот оставался таким же упругим, как и раньше, не меняя своей структуры и свойств. И даже при повторной лазерной коррекции ткань сохраняла предыдущую конфигурацию.

Предложенный ими метод неразрушающего лазерного воздействия открыл широкие перспективы для пластической хирургии, отоларингологии и ортопедии. Более того, его уже активно используют в клиниках, в том числе в Московской медицинской академии имени И. М. Сеченова** и Московском областном научно-исследовательском клиническом институте им. М. Ф. Владимирского, где провели более 300 операций по коррекции носовой перегородки.

До последнего времени, как сообщает Наталья Фирсова, рентгеновское исследование было единственным объективным и быстрым способом получения информации о внутренней структуре органов человека, наличии переломов, инородных предметов, состоянии трансплантатов и эндопротезов. Однако традиционная рентгенограмма, будучи двумерным изображением, не передает все особенности рельефа поверхности, искажает истинные размеры и поэтому не всегда дает полную информацию, необходимую для диагностики и лечения пациента. Более широкие возможности открывает лазерная стереолитография - самая развитая и наиболее точная из технологий быстрого прототипирования.

Стереолитографическая модель тазобедренной области для пациента Московского научно-исследовательского онкологического института им. П. А. Герцена.

В отделе интеллектуальных оптико-информационных систем шатурского института (научный руководитель академик Владислав Панченко) с помощью этого метода научились "выращивать" модели узлов, конструкций любой формы и сложности размером до нескольких десятков нанометров. Спроектированный на компьютере трехмерный объект формируют под действием лазерного излучения из полимеризующейся (способной переходить из жидкого состояния в твердое) композиции последовательными тонкими (25 - 300 мкм) слоями.

Лазерная стереолитография позволяет в кратчайшие сроки (от нескольких часов до нескольких дней) пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели. При этом поверхность полученного образца легко полируется, по прочности напоминает эпоксидные смолы и выдерживает нагрев до 100°C без изменений формы и размеров.

Метод открывает фантастические перспективы в медицине. Ведь хирургу как воздух нужна модель органа или кости, с которой ему предстоит работать. Ее "строят" по данным томографии, причем сам диагностический комплекс может находиться за тысячи километров от центра изготовления детали (все необходимые сведения передают по Интернету). Специалисты представляемого института уже сотрудничают в этой области с 27 клиниками. Получив от них точную модель поврежденного сустава, черепа или позвоночника, врачи заранее подгоняют будущие титановые имплантаты и продумывают сценарий операции. Это сокращает время хирургического вмешательства в 2 - 3 раза, что открывает возможность лечить даже маленьких детей, подчас не выдерживающих длительного наркоза.

Кстати, метод быстрого моделирования можно использовать и в промышленности (например, авиастроительной), а также для создания точных копий произведений искусства, археологических объектов. Совершенствуя технологию, ученые предложили изготавливать детали не из полимера, а из порошка методом спекания. Принцип тот же: лазер рисует нужный контур по порошку, причем, что не спеклось, то осыпалось - и так послойно до воссоздания объекта. Метод востребован био- и нанотехнологами, занятыми созданием пористых и градиентных материалов, обладающих переменными по направлению свойствами. Все процессы в этих случаях требуют предварительного моделирования.

* Кристиан Доплер (1803 - 1853) - немецкий физик, научные интересы которого лежали в области оптики и акустики. В 1842 г. он теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн. Это явление впоследствии было названо его именем - эффектом Доплера.

** См.: М. Пальцев. Из века XVIII - в век XXI. - Наука и России. 2008, N 4.

Марина ХАЛИЗЕВА, Наталья Фирсова