Physical justification of the safety of using a surgical laser with a wavelength of 445nm during stapedoplasty

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Стапедопластика – хирургическое вмешательство, направленное на улучшение слуха у пациентов с тимпанальной и смешанной формой отосклероза [1]. Впервые способ хирургического лечения отосклероза была представлен в конце XIX века, и с тех пор было предложено множество модификаций хирургического вмешательства [2]. Важным этапом операции является создание отверстия в основании стремени, которое традиционно осуществлялось с использованием бормашин или ручного перфоратора [3]. Однако метод прямого контакта, сопровождающийся значительной механической энергией, несет риски, такие как нейросенсорная потеря слуха [4], головокружение и паралич лицевого нерва. Для снижения этих рисков предпочтителен лазерный метод, который используется для создания отверстия в подножной пластинке стремени [2, 5]. Первый бесконтактный метод был предложен в 1980 году Перкинсом, который использовал аргоновый лазер для точного формирования отверстия в стремени [6]. Несмотря на многочисленные предложения по использованию различных длин волн лазеров для этой цели, где каждый вариант обладает уникальными особенностями, потенциальный риск развития негативных последствий для внутреннего уха по-прежнему сохраняется [7].

Риск возможных осложнений, таких как мобилизация пластинки стремени, можно снизить, отказавшись от контактного метода. Однако необходимо учитывать, что лазерная энергия может вызывать нежелательные тепловые и акустические эффекты [8, 9]. Воздействие лазерного излучения на температуру в ушном лабиринте было изучено на животных еще до полноценного внедрения лазерных технологий в отохирургию. Тепловые эффекты, вызванные лазером, стали объектом последующих исследований [10, 11].

Когда лазерное излучение взаимодействует с биожидкостями, возможны три сценария: передача, отражение или поглощение энергии [12]. Такие свойства, как отражение и поглощение, являются основополагающими при выборе лазера в отологической хирургии.

Значимым аспектом является взаимодействие лазерного излучения с перилимфой и мукопериостом подножной пластины стремени, который подвергается перфорации лазерным лучом, что подчеркивает важность гемостаза в этом процессе, поскольку мукопериост имеет активное кровоснабжение [13–16].

Когда лазерная энергия поглощается тканью или биожидкостью, преобладающим результатом является выделение тепла [10, 17]. В зависимости от таких факторов, как средняя мощность, это тепло может коагулировать белки при низких уровнях мощности, но при более высоких уровнях может вызвать испарение или даже плавление кости [18]. Кроме того, после воздействия тепло будет рассеиваться, но динамика этого рассеивания зависит от длительности импульса, времени импульса и размера пятна луча [19–22]. Также стоит отметить кумулятивные эффекты, такие как возможное повышение температуры при использовании кратковременных импульсов, особенно в случае сокращенных интервалов между ними.

ЦЕЛЬ

Обосновать на экспериментальной физической модели безопасность применения луча лазера с длиной волны 445 нм при проведении стапедопластики.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В клинике болезней уха, горла и носа Первого МГМУ имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) при участии физиков из компании ООО «Русский инженерный клуб» был проведен эксперимент с перфорацией костной ткани стремечка с помощью лазерного излучения с длиной волны λ=0,455 мкм (Лазермед-10-03).

Постановка задачи. При выпаривании костной ткани (основание подножной пластинки стремени) с помощью лазерного излучения с длиной волны излучения λ=0,455 мкм важным моментом является правильный выбор параметров излучения (мощность излучения P₀ и время воздействия t₀), которые определяют энергию излучения Э₀= P₀∙t₀, необходимую для выпаривания элементарного объема костной биоткани V₀=$\frac{\pi \cdot D_0^2}{4}\cdot h_0$,

где D₀ – диаметр лазерного пучка (принимается равным диаметру кварцевой жилы световода D₀=0,6 мм при контактном воздействии); h₀ – толщина косточки в направлении излучения (h₀=0,5÷0,7мм).

Экспериментальным путем установлено, что для выпаривания элементарного объема костной биоткани объемом $V_0=\frac{\pi \cdot D_0^2}{4}\cdot h_0=\frac{\mathrm{3,14}\cdot {\mathrm{0,6}}^{2 }м{м}^2}{4}\cdot \mathrm{0,7} мм=\mathrm{0,2} м{м}^3$ требуется энергия Э₀= P₀∙t₀=10 Вт∙0,15 с=1,5 Дж.

Поскольку толщина косточки h₀ может отличаться от пациента к пациенту, то указанная энергия может также меняться. Поэтому возникает задача установки таких параметров излучения, при которых бы гарантированно выпаривался элементарный объем костной биоткани, но при этом исключалось паразитное воздействие лазерного излучения на подлежащую за косточкой жидкость (перилимфа). Перилимфа представляет собой внеклеточную жидкость, размещенную внутри внутреннего уха. Ионный состав перилимфы схож с составом плазмы и спинномозговой жидкости. Основным катионом в перилимфе является натрий, при этом концентрации натрия и калия в перилимфе составляют 138 мМ и 6,9 мМ соответственно.

Исходные данные. Проведем оценку энергетического воздействия паразитного лазерного излучения на перилимфу.

Рассмотрим упрощенную модель лазерного воздействия, представленную на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Упрощенная модель лазерного воздействия на косточку стремечка и подлежащую перилимфу: 1 – кварцевый торец световода диаметром D0=600 мкм контактирует с косточкой 2; 3 – выпариваемый объем косточки V0 (толщина h0); 4 – объем нагреваемой паразитным излучением перилимфы Vп.

Figure 1. Simplified model of laser action on the stapes bone and the perilymph to be treated: 1 – the quartz end of the light guide with a diameter of D₀ = 600 mkm contacts the bone 2; 3 – the evaporated volume of the bone V₀ (thickness h₀); 4 – the volume of the perilymph heated by parasitic radiation V_p.

 

Критерием недопустимого воздействия паразитного (повреждающего) лазерного излучения на подлежащую жидкость является температура ее нагрева до 42°С (начало денатурации белка).

Паразитное лазерное излучение может быть обусловлено либо неправильным выбором времени воздействия лазерного излучения t₀ (которое установлено экспериментальным путем и принимается равным 0,15 с при мощности излучения Р₀=10 Вт), либо уменьшенной толщиной косточки.

Предположим, что при выполнении стапедопластики паразитная (повреждающая) энергия лазерного излучения Эп сопоставима с полезной энергией Э₀=P₀∙t₀=10 Вт∙0,15 с=1,5 Дж, необходимой для выпаривания элементарного объема костной биоткани V₀=0,2 мм³.

Оценим, хватит ли такой паразитной энергии Э_п= 1,5 Дж для нагрева подлежащей жидкости объемом V_п до 42°С.

Энергия Эп, необходимая для нагрева жидкости объемом V_п с температуры Т₁=36,6°С до Т₂=42°С, определяется из соотношения: Э_п=ρ∙V_п∙с∙ΔT,

где ρ – плотность жидкости, $\frac{кг}{{м}^3}$ (принимается $\rho ={10}^3\frac{кг}{{м}^3}={10}^{-3}\frac{кг}{с{м}^3}$);

V_п – объем нагреваемой ткани, м³;

С – удельная теплоемкость жидкости (физраствор), $\frac{кДж}{кг\cdot град}$ ($с=\mathrm{4,19}\cdot {10}^3\frac{Дж}{кг\cdot град}$).

Объем нагреваемой жидкости V_п, в котором поглощается паразитная энергия Э_п=1,5 Дж, определяется глубиной проникновения лазерного излучения в подлежащую жидкость L₀ и расходимостью лазерного излучения 2α (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Упрощенная модель проникновения лазерного излучения в подлежащую жидкость.

Figure 2. Simplified model of laser radiation penetration into the underlying liquid.

 

Глубина проникновения паразитного лазерного излучения в подлежащую жидкость (глубина, на которой интенсивность I лазерного излучения уменьшается в e²=7,5 раза) определяется из соотношения $I=I_0·e^{-m·l_0}$, где m – коэффициент поглощения жидкостью лазерного излучения с длиной волны λ=0,455 мкм ($m=3\cdot {10}^{-4}\frac{1}{см}$).

Тогда $L_0\approx \frac{1}{m}=\frac{1}{3\cdot {10}^{-4}} см=\mathrm{0,33}\cdot {10}^4 см=\mathrm{3,3}\cdot {10}^3 см$.

В соответствии с рисунком 2 объем Vп, в котором поглощается энергия лазерного излучения, определяется объемом конуса V_к, высотой L₀ и основанием L=d₀+2tgα∙L₀ (α=15°), тогда

$\text{Vк}\approx \frac{1}{3}\pi {\left(\frac{L}{2}\right)}^2\cdot L_0=9\cdot {10}^9 с{м}^3.$

Энергия, необходимая для нагрева такого объема жидкости с температуры Т₁=36,6°С до Т₂=42°С, составит

$Э=\rho \cdot \text{Vп}\cdot \text{с}\cdot \text{Δ}T={10}^{-3} \frac{кг}{с{м}^3}\cdot 9\cdot {10}^9 с{м}^3\cdot \mathrm{4,19}\cdot {10}^3 \frac{Дж}{кг\cdot град}\cdot \mathrm{5,4} град=203\cdot {10}^9 Дж$

Как видно, значение этой энергии на несколько порядков больше значения паразитной энергии лазерного излучения Э_п=1,5 Дж, которое может проникнуть в подлежащую жидкость.

На основании проведенных расчетов видно, что даже если значение паразитной энергии излучения будет сопоставимо с полезным значением энергии лазерного излучения Э₀= 1,5 Дж, то ее воздействие не приведет к какому-либо существенному тепловому воздействию на перилимфу. Эти выводы сделаны на основании допущения, что физические свойства перилимфы (коэффициент поглощения лазерного излучения) отождествляются со свойствами физиологического раствора (NaCl 0,9%).

Рассмотрим самый неблагоприятный случай моделирования: вся паразитная лазерная энергия Э_п=1,5 Дж поглощается подлежащей перилимфой. Из геометрических размеров строения уха примем объем перилимфы равным 78 мм³, тогда энергия, необходимая для нагрева такого объема биоткани на 5,4°С составит $Э={10}^{-3} \frac{кг}{с{м}^3}\cdot 78\cdot {10}^{-3 }с{м}^3\cdot \mathrm{4,19}\cdot {10}^3 \frac{Дж}{кг\cdot град}\cdot \mathrm{5,4} град=\mathrm{1,7} Дж$, что сопоставимо со значением паразитной энергии лазерного излучения Э_п=1,5 Дж (при 100% ошибке установки значения времени воздействия t₀).

Таким образом, на основании проведенных оценочных расчетов можно сделать вывод, что паразитное лазерное излучение при выполнении стапедопластики безопасно по тепловому воздействию для подлежащей перилимфы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исходя из расчетов, проведенных в ходе нашего исследования, мы пришли к важным выводам относительно эффектов воздействия лазерного излучения на структуры внутреннего уха в процессе стапедопластики. Было выявлено, что мощность паразитной (повреждающей) энергии излучения в 10 Вт (максимальное значение) при средней длительности импульса 0,15 с, используемой при перфорации подножной пластины стремени, не приводит к какому-либо существенному тепловому воздействию на перилимфу. Эти заключения основаны на предположении, что физические свойства перилимфы, такие как коэффициент поглощения лазерного излучения, аналогичны свойствам физиологического раствора (NaCl 0,9%). Исходя из этого допущения, мы уверены в том, что при выполнении стапедопластики лазерное излучение оказывает минимальное тепловое воздействие на подлежащую перилимфу.

Когда луч лазерного света взаимодействует с тканью, возможны три сценария: передача, отражение и поглощение [23–30]. В данном случае мы подтвердили, что луч «синего» лазера отражается от жидкости. Эти оценочные расчеты подтверждают безопасность лазерного излучения с длиной волны 445 нм в контексте теплового воздействия на перилимфу при выполнении стапедопластики.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные в ходе исследования результаты представляют собой важный вклад в понимание воздействия лазерного излучения с длиной волны 445 нм на перилимфу в контексте стапедопластики. Проанализируем основные аспекты исследования, подчеркивая их клиническую значимость и возможные перспективы применения.

Одним из ключевых выводов нашего исследования является безопасность паразитного лазерного излучения с точки зрения теплового воздействия на перилимфу в процессе стапедопластики. Даже при сопоставимых значениях энергии паразитного излучения и полезной энергии лазера не обнаружено существенного теплового воздействия на перилимфу. Этот результат подчеркивает эффективность и безопасность лазерных методов в отохирургии с использованием «синего лазера», что является критическим аспектом.

Интересно отметить, что наше исследование также выявило отражение луча «синего» лазера от жидкости, что может быть использовано для оптимизации хирургических вмешательств. Этот аспект открывает новые перспективы в области разработки хирургических лазерных методик, учитывающих уникальные физические свойства перилимфы.

Важным фактором, влияющим на результаты, является допущение о схожести физических свойств перилимфы и физиологического раствора. Дальнейшие исследования в этом направлении могут уточнить этот аспект и расширить наше понимание взаимодействия лазерного излучения с тканью внутреннего уха.

ВЫВОДЫ

Выводы, полученные в ходе нашего исследования, служат отправной точкой для дальнейших исследований и совершенствования лазерных технологий в области отохирургии. Прогнозируется, что дополнительный гистологический анализ, основанный на полученных результатах, будет необходим для более полного понимания процессов, происходящих в результате перфорации подножной пластинки стремени лучом «синего» лазера.

Несмотря на обнадеживающие выводы относительно безопасности паразитного лазерного излучения с длиной волны 445 нм в контексте его теплового воздействия на перилимфу, гистологическое исследование представляет собой критически важный следующий этап исследования. Оно позволит более глубоко исследовать структурные изменения, происходящие в тканях внутреннего уха в результате лазерной перфорации, что в свою очередь будет способствовать расширению наших знаний в области отохирургии и повышению эффективности лечебных методов. Гистологический анализ позволит окончательно подтвердить отсутствие морфологических изменений, а также выявить возможные тканевые реакции на воздействие лазерного излучения. Этот подход к исследованию структурных аспектов внутреннего уха послужит дополнительным критерием безопасности и поможет выявить любые потенциальные последствия, которые могут остаться невидимыми на уровне теплового воздействия.

Таким образом, планируемое гистологическое исследование станет важным шагом в обеспечении комплексной оценки воздействия лазерного излучения на ткани внутреннего уха. Данные последующего этапа исследования будут служить ценным дополнением к нашим текущим результатам и способствовать более глубокому пониманию безопасности лазерной стапедопластики в отохирургии.

About the authors

Valerii M. Svistushkin

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: svvm3@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7414-1293

Dr. Sci. (Med.), Professor, Head of the Department of ear, nose and throat diseases, Institute of Clinical Medicine named after N.V. Sklifosovsky

Russian Federation, Moscow

Eduard V. Sinkov

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: 1178461@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4870-5977

Cand. Sci. (Med.), Associate professor of the Department of ear, nose and throat diseases, Institute of Clinical Medicine named after N.V. Sklifosovsky

Russian Federation, Moscow

Vasilii P. Sobolev

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: sobolev_v_p@staff.sechenov.ru
ORCID iD: 0000-0002-7372-3299

Cand. Sci. (Med.), Associate professor of the Department of ear, nose and throat diseases, Institute of Clinical Medicine named after N.V. Sklifosovsky

Russian Federation, Moscow

Gennadii A. Varev

Russian Engineering Club LLC

Email: info@lasermed.ru
ORCID iD: 0009-0007-0543-2477

Cand. Sci. (Tech.), General Director

Russian Federation, Tula

Artur R. Tekoev

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Author for correspondence.
Email: arturtekoev@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9511-9212

postgraduate student of the Department of ear, nose and throat diseases, Institute of Clinical Medicine named after N.V. Sklifosovsky

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files