Диагностика лазерного испарения биотканей по обратно рассеянному излучению презентация

В.А.Ульянов
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН,

Прикладная лазерная медицина. Под.ред. Х-П. Берлиена, Г.Й.Мюллера. М., Интерэксперт, 1997, 336 с.

Поглощение энергии лазерного излучения, приводящие к нагреву ткани;
  Повышение температуры ткани до 100 °С, поверхностное испарение внутри-тканевой жидкости, диффузия тепла из нагретого объема;
  Перегрев тканевой воды выше 100 °С и создание избыточного подповерхност-ного давления, инициирующего разрушение ткани давлением паров воды;


  Выброс парокапельной смеси
и частиц ткани;

 

«Открывание» более холодного слоя ткани, его обезвоживание последующим облучением, что приводит к уменьшению значений плотности и теплопроводности ткани;
  Температура повышается, пока не происходит сгорание и обугливание этого слоя, в результате чего открываются более холодные слои ткани, приводя к перепаду температуры от 350 до 450 °С;
  Часть тепла, не расходуемого на испарение ткани, диффундирует в более холодные области, создавая зону теплового повреждения ткани.

Совокупность
мышечных волокон

скелетная мышца жировая ткань печень

гепатоцит

Гомогенная
поглощающая среда:
до 80% воды с равномерным
объемным распределением

цитоплазма

жировая капля

Гетерогенная поглощающая среда:
до 30% воды
10.6 (жир) = 1cm-1
10.6 (вода) = 830cm-1

Продукты разрушения биоткани –
фрагменты структуры ткани, частицы ткани произвольной формы

мышечная

жировая

кожа

Распределение частиц ткани по размерам при лазерном испарении мышечной ткани in vitro:
А - 10 kW/cm2 , 100 мс;
В - 20 kW/cm2 , 100 мс.

А

В

Зависимость сечения обратного рассеяния сажеподобного и водного аэрозоля от плотности энергии излучения.

Однократное рассеяние
Независимые рассеиватели
Светорассеяние по теории Ми
(частицы сферической формы)

автодинное
(прием на
резонатор лазера)

вода

Автодинное детектирование дает наибольший контраст

Сравнение методов
детектирования обратно рассеянного излучения
( перфорация пластины из оргстекла, расположенной на поверхности воды)

Поле скоростей
продуктов
разрушения
биоткани

Самоиндуцированная
модификация спектра
генерации CO2 лазера
обратно рассеянным
излучением c доплеров-
ким сдвигом частоты

Регистрация
и обработка
автодинного
сигнала

ВЧ накачка

Накачка РПТ

Вид автодинного сигнала

ИК
фотоприемник

CO2 лазер

Спектр фототока на фотоприемнике : i(ν)=1/(2π)1/2 ∫ i(t)exp(i2πνt)dt

Площадь спектра в выделенном диапазоне частот

Средневзвешанная частота в выделенном
диапазоне частот

Временное окно длительностью Т:

Участок спектра на отрезке времени (t-τ): i(t, τ) = i(t)П(t-τ)

с импульсно-периодической (ИП) накачкой

Автодинное усиление имеет резонансный характер
При накачке РПТ чувствительность автодинного приема выше, а полоса приема уже по сравнению с ИП накачкой.
2. С увеличением мощности излучения (накачки) чувствительность автодинного приема падает.

Чувствительность автодинного приема при лазерных операциях может меняться более чем на порядок

Линейный и нелинейный режимы автодинного приема

Зависимость глубины модуляции лазерного излучения М от коэффициента обратной связи μ

Типичный диапазон для
медицинских CO2 лазеров

Автодинный сигнал в зависимости от интенсивности лазерного излучения .

По доплеровским спектрам можно отличать ткани относительно друг друга

Некоторые возможности диагностики лазерного испарения биотканей по автодинному сигналу

Скачок автодинного сигнала вблизи границы тканей достигает 15-50%
в зависимости от типа тканей
Такие зависимости дают информацию о динамике прохождения лазерного излучения через границы тканей в реальном времени

возможность управления гемостазом вплоть до бескровных операций

малая травматичность

Лазерная операция - переход (или совокупность переходов) от испарения одного типа ткани к другому.

ПРОБЛЕМЫ
Как обеспечить:
безопасность операции ?
полное удаление больных тканей ?
минимальное повреждение здоровых тканей ?
органосохранное лечение ?
Как объективно оценить качество выполнения лазерной операции ?

Лазерный
скальпель

Биоткань

Визуальное наблюдение

Временная задержка в восприятии визуальной информации ~0.2-0.3 c и механической реакции ~0.3-1.0 c от исполнительного органа (руки, ноги)

Блок хирургического
скальпеля

Биоткань

Датчик

Автоматизированное управление процессом
лазерного хирургического вмешательства

идентификация типа испаряемой ткани;
- определение момента перехода излучения от одного типа ткани к другому;
- звуковая индикация при изменении типа испаряемой ткани;
выдача управляющих воздействий (прекращение, прерывание или продолжение испарения при достижении заданных условий) на систему управления лазером;
- протоколирование лазерного хирургического вмешательства в реальном масштабе времени.

Лазерный луч

Объективный контроль качества выполняемой лазерной операции проводится на основе разных уровней автодинного сигнала от здоровой и больной тканей.

Основные требования к построению
системы оперативной диагностики на основе автодинного эффекта

В момент нарушения одномодовости излучения в измеряемом частотном диапазоне формируется фальш-сигнал .

Охлаждаемый КРТ приемник
(с Пельтье холодильником):
- температура чувствительного
элемента - 220 0К,
чувствительность – 900 В/Вт,
-удельная обнаружительная
способность –1..5x107см*Гц1/2/Вт

делительная пластина ZnSe 1%

ослабители излучения

КРТ фотоприемник

АЦП

20 Вт

0.2 Вт

10 мВт

Сигнал/шум (500кГц) =75-80

Сигнал/шум (500кГц) =5-7

Блок – схема программного обеспечения

Модули «Обработка автодинного сигнала» и «Управление параметрами лазера»

Структура здоровой и опухолевой ткани (на примере мышечной ткани).

Биохимический атипизм
избыточное накопление жидкости в межклеточном пространстве опухолей (следствие нарушения обмена воды)
нарушение белкового и жирового обмена, усиление распада углеводов

Изменение физических свойств
- различия в оптических характеристиках, плотности ткани и др.

ДЛЯ ОДНОЗНАЧНОГО СОПОСТАВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ АВТОДИННОГО СИГНАЛА С ИЗМЕНЕНИЯМИ В ОПЕРАЦИОННОЙ ЗОНЕ ПОЛНЫЙ МОНИТОРИНГ ЛАЗЕРНОЙ ОПЕРАЦИИ ВКЛЮЧАЛ:

ЗАПИСЬ АВТОДИННОГО СИГНАЛА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ В ПРОЦЕССЕ ХИРУРГИЧЕСКОГО ВМЕШАТЕЛЬСТВА С ОДНОВРЕМЕННОЙ КИНОСЪЕМКОЙ ВСЕХ МАНИПУЛЯЦИЙ ХИРУРГА В ОПЕРИРУЕМОЙ ОБЛАСТИ И УСТНЫМИ КОММЕНТАРИЯМИ ХИРУРГА

ИСПАРЕНИЕ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ И САРКОМЫ ( крыса, in vivo)

РАССЕЧЕНИЕ ОПУХОЛИ ( справа) С ИНВАЗИЕЙ В МЫШЕЧНУЮ ТКАНЬ (слева) ( крыса, in vivo).

Лазерное удаление кисты на ступне человека (с ГНЦ лазерной медицины).

Лазерное удаление рака гортани
в МНИОИ им. П.А.Герцена.

Лазерное удаление менингососудистой опухоли левого полушария мозга
в Отделении нейрохирургии Тульской областной больницы.

Лазерное удаление рака молочной
железы
(РОНЦ им. Блохина)

Лазерное удаление липом
(ГНЦ лазерной медицины, Москва)

Полое волокно
(автодинный сигнал/шум):
4

Кристаллическое волокно
(автодинный сигнал/шум):
10

C. K. N. Patel "Continuous-Wave Laser Action on Vibrational Rotational Transitions of CO2," Physics Review, Vol. 136 A, (Nov., 1964) P. 1187