Лазеры в медицине: новые области и проблемы применения

Лазеры в медицине: новые области и проблемы применения

Выпуск 11(6685) от 06 июня 2019 г.
РУБРИКА: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Одна из современных тенденций развития медицины – ​расширение применения неинвазивных методов диагностики и лечения. По оценкам специалистов в области биофотоники, одним из средств обеспечения неинвазивности может стать все более широкое использование лазеров. Эти приборы уже достаточно давно применяются в медицине, но по мере их технического совершенствования открываются все новые и новые сферы их использования.

Новые разработки в области лазерной техники порождают инновационные приложения во всей области биофотоники – ​от оценки опухоли во время хирургической операции до курса лечения офтальмологических заболеваний. Ввиду того, что лазеры позволяют проводить менее инвазивные процедуры как для диагностики, так и для лечения, их роль в медицине растет. Лазеры можно модулировать по длине волны, мощности, плотности излучения и т. п. Они нашли широкое применение в офтальмологии, литотрипсии, онкологии, дерматологических и косметологических процедурах (рис. 1а).



Источник: Biophotonics

Рисунок 1. Основные принципы применения лазеров в медицине

* Интерференционная спектроскопия в отраженном свете при постоянном угле падения.

** Генерация второй гармоники.

*** Двухфотонная флуоресценция.


С небольшими изменениями системы те же самые базовые принципы могут быть приложены к обширному разнообразию типов тканей. Воздействие лазера на определенный тип ткани зависит от свойств как лазера, так и ткани (рис. 1б). Ткани тела различаются по содержанию воды, плотности, структуре, теплопроводности и теплоемкости, и эти свойства определяют взаимодействие со световым излучением, что может дать ценную информацию при лазерном воздействии на конкретную область тела.

Быстрое развитие источников света, таких как миниатюрные квантово-каскадные лазеры для средней ИК-области спектра, а также инфраструктура обнаружения позволили предложить клиникам множество новых сложных техник, методов и неинвазивных инструментов диагностики и хирургии.


МЕДИЦИНСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ

Медицинская визуализация используется для создания виртуального представления тела человека для клинических анализов, диагностики и медицинского вмешательства. Выявляя внутренние структуры, она позволяет практикующему врачу выявлять аномалии.

Традиционная медицинская визуализация включает в себя такие методы, как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ), ультрасонография и эндоскопия, каждый из которых предоставляет различную информацию об изучаемой области тела, связанной с возможным заболеванием, травмой или эффективностью медицинского лечения. Хотя эти методы хорошо известны и широко используются, необходимы новые, неинвазивные методы медицинской визуализации, которые могли бы предоставить больше информации о морфологии, структуре, метаболизме и функциях организма. Исследования, проведенные в таких научно-исследовательских заведениях, как Медицинский центр Лейденского университета (Leiden University Medical Center, LUMC, Нидерланды), Институт фотонных технологий Ассоциации Лейбница (Германия), Нидерландский институт рака (Netherlands Cancer Institute, NKI), Швейцарский центр электроники и микротехнологии (Swiss Center for Electronics and Microtechnology, SCEM) и Национальный институт Тиндаля (Tyndall National Institute, TNI, Ирландия) демонстрируют потенциал и дополнительную ценность новых методов, основанных на биофотонике. Дальнейшие разработки в области лазеров, волоконно-оптических материалов, микролинз, фильтров и других элементов, а также полностью интегрированных систем вводят биофотонику в медицину в качестве вспомогательного инструмента при диагностике, хирургических вмешательствах, на других этапах принятия решений в клинической практике.


СПЕКТРОСКОПИЯ

Рамановская спектроскопия позволяет получать подробную информацию о химическом составе тканей при высоком пространственном разрешении. Она неразрушающа, свободна от использования меток и может легко совмещаться с другими методами. Когерентная спектроскопия комбинационного рассеяния света (Coherent Raman scattering, CRS) может предоставлять дополнительную детализированную морфологическую информацию и изображения на основе отдельных вибрационных уровней. Преимущества и возможности рамановских технологий впечатляют, однако незакрытая потребность в квалифицированных ученых по сбору и обработке данных может препятствовать реальному применению этих систем в клинической среде.

Требования к стабильности длины волны, точности, чистоте и надежности спектра могут быть удовлетворены за счет источников лазерного излучения, поставляемого компанией Cobolt AB. Необходимы также настраиваемые источники – ​при этом оба источника должны быть идеально совмещены во времени и пространстве. Фирма Angewandte Physik & Elektronik (APE) поставляет оптические параметрические генераторы (optical parametric oscillator, ОРО), подстраиваемые источники когерентного антистоксова комбинационного рассеяния света (coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS) или вынужденного комбинационного рассеяния (stimulated Raman scattering, SRS). Кроме того, она предлагает полностью интегрированные системы, где лазерные источники встроены в единый прибор, непосредственно обеспечивающий скорость передачи потока видеоданных CARS или формирование SRS-изображения.

В рамановской спектроскопии большое значение имеет доставка светового излучения к нужному месту и обнаружение отраженного сигнала. Фирма Art Photonics использует в своих системах оптоволокно, передающее световые сигналы различных форм и профилей интенсивности, что позволяет интегрировать их в клинические приборы (рис. 1в).

Основное преимущество гиперспектральной визуализации состоит в том, что она не требует предварительного знания исследуемого образца, а пост-обработка позволяет добыть из полученного набора данных всю доступную информацию. Гиперспектральные изображения могут быть получены как в видимой, так и в ИК-области спектра, но в любом случае для этой технологии требуется стабильный широкополосный источник света. Кроме того, остается проблемой достижение равномерности освещения.


ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ

Ввиду того что оптическая когерентная томография (ОСТ) обеспечивает формирование 2D- и 3D-изображений живой ткани в реальном масштабе времени, она в последнее время является одной из наиболее обсуждаемых технологий биофотоники. Однако у ОСТ есть ряд технических ограничений: малая апертура, плохое боковое разрешение и малая глубина проникновения (эффективная глубина исследования). Тем не менее коммерческие ОСТ-системы успешно применяются в офтальмологии, сердечно-сосудистой медицине, стоматологии и дерматологии, а также в других областях, таких как контроль полупроводниковых пластин. Для обеспечения дальнейшего развития и распространения этого метода в клинической среде фирма Fondazione CIFE разрабатывает настраиваемый лазер с внешним резонатором для свипируемых (swept) лазерных источников.

Свипируемые лазерные источники обеспечивают гибкость конструкции, высокую когерентность и высокий световой выход. В то же время, благодаря тому, что ОСТ-системы отличаются малыми размерами, в них для нацеливания на исследуемый объект можно применять микрооптические сборки. Ключевым фактором, способствующим разработке ОСТ-систем для портативных применений, стала технология фотонных интегральных схем (PIC). Коммерциализации подобных систем препятствует недостаточность услуг по окончательному корпусированию систем на основе PIC, однако в последнее время европейская опытная линия PIXAPP, созданная для сборки и корпусирования продукции на основе PIC, начала предлагать комплексные услуги в этой области, включая все требующиеся процессы (формирование оптических связей, термическая стабилизация и интеграция электронных систем). Работы ведутся с учетом важности задач стандартизации и автоматизации.


ФОТОАКУСТИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Благодаря последним техническим достижениям в области биофотоники набирает популярность другая перспективная технология – ​фотоакустическая томография (рис. 2). В ней используются неионизирующие лазерные импульсы, способные глубоко проникать в биологические ткани. Там часть их энергии поглощается и преобразуется в тепло, что приводит к возникновению ультразвукового излучения, величина которого показывает физиологически специфический оптический контраст поглощения, обеспечивающий перевод сигналов в 2D- или 3D-изображения исследуемых областей. По сравнению со стандартными ультразвуковыми исследованиями, фотоакустическое формирование изображений обладает уникальной способностью визуализировать молекулярные изменения на большей глубине живых тканей. При этом сохраняется необходимое пространственное разрешение.



Источник: Biophotonics

Рисунок 2. Вид и принципиальная схема фотоакустических систем


Используемый в технологии фотоакустической визуализации лазерный источник излучает импульсные сигналы на уникальной длине волны. Потребляемая при этом энергия измеряется в микроджоулях, что позволяет создавать компактные и надежные приборы с оптической связью. Новые лазеры и компоненты на их основе способствуют разработке систем многоспектральной оптоакустической томографии (multispectral optoacoustic tomography, MSOT).

Объединение молекулярной специ-фичности оптической визуализации с глубиной и пространственно-временным разрешением ультразвука позволяет достигать невиданных ранее результатов. Ткань освещается лазерными импульсами с несколькими длинами волн, а порожденная ими ультразвуковая волна давления регистрируется приемным блоком. Спектральное разделение позволяет анализировать отдельные поглощающие структуры. Разрешение доходит до 80 мкм, но глубина формирования изображения измеряется пока несколькими сантиметрами. Технология MSOT позволяет визуализировать все тело человека и уже проходит клинические испытания.

Еще одна перспективная разработка в области лазерных технологий – ​растрово-сканирующая оптоакустическая мезоскопия (raster-scanning optoacoustic mesoscopy, RSOM). В ней используется лазерное возбуждение и высокочастотное акустическое обнаружение. По сравнению с MSOT эта технология использует растрово-сканирующий подход с одноэлементным ультразвуковым детектором, что обеспечивает обнаружение присущего тканям оптического контраста с разрешением от 10 до 20 мкм при обеспечении глубины разрешающей способности порядка нескольких миллиметров. В клинических условиях технология RSOM может использоваться для выявления заболеваний, при которых наблюдается нерегулярное накопление гемоглобина или меланина в мезоскопических масштабах (рис. 3).



Источник: Biophotonics

Рисунок 3. Блок и изображения, получаемые системой растрово-сканирующей оптоакустической мезоскопии


ЛАЗЕРНАЯ ХИРУРГИЯ

Помимо обеспечения неинвазивного формирования изображений ткани, лазеры широко применяются в хирургии (например, эндартерэктомия с использованием аргонового лазера), в лечении и восстановлении формы роговицы, лазерной стоматологии, косметологических и дерматологических процедурах. Существует даже СО2-лазерный скальпель.

На состоявшейся в декабре 2018 г. в Копенгагене Международной конференции по экситехнике и поляритронике (Excitonics and Polaritronics International Conference, EPIC) фирма Microrelleus SL представила новое медицинское применение лазеров – ​текстурирование с их помощью имплантатов (рис. 4). Функциональное текстурирование имплантатов может придать им новые свойства: снижение трения, супергидрофобность или супергидрофильность, самоочищаемость, самосмазываемость, антибактериальность. Соответствующее сочетание функционального текстурирования может улучшить остеоинтеграцию (прикрепление имплантата к кости или врастание кости в прибор). Среди наиболее важных преимуществ лазерного текстурирования можно назвать производственные преимущества, снижение рисков и издержек, преимущества проектирования.



Источник: Biophotonics

Рисунок 4. Воздействие лазерного излучения различных длин волн на кожу и лазерная система (а); формируемые с помощью лазеров текстурированные имплантаты и их поверхности (б)


ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Новые разработки в области лазерных технологий позволят внедрить в клиническую практику множество перспективных приборов, систем, методов и подходов. Среди прочего, рамановская и гиперспектральная визуализация позволят непосредственно оценивать размеры опухоли во время операции. Технологии ОСТ и фотоакустического формирования изображения, введенные в общую практику, выведут диагностику кожных заболеваний на новый уровень точности.

Дальнейшее совершенствование лазерной техники также будет стимулировать развитие косметических операций и офтальмологических процедур. Эти и многие другие приборы, системы и методики станут доступными в результате совместных усилий сообщества фотонных фирм и специалистов.

 

Pozo Jose, Belén Gonzalez Guerrero Ana. Medical Lasers Find Their Niche. Biophotonics, May–June 2019, pp. 36–40: https://www.biophotonics-digital.com/biophotonics/may_june_2019/MobilePagedArticle.action?articleId=1489445&app=false#articleId1489445


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Виктор Лощенов

К сожалению, в статье не рассмотрено одно из важных направлений в лазерной медицине – ​флуоресцентная диагностика и фотодинамическая терапия. Это направление быстрыми темпами развивается как в зарубежных странах с высоким экономическим потенциалом, так и в России. Методика флуоресцентной диагностики опухолей находит свое достойное применение в клинической практике, в том числе в эндоскопической диагностике.

Распространение света с различной длиной волны в биологических тканях имеет важное значение для фотодинамической терапии, так как отражает, с одной стороны, скорость потребления кислорода в тканях и, следовательно, интенсивность фотодинамических реакций, а с другой стороны – ​степень разрушения капиллярного русла в процессе фотодинамической терапии. При лазерном облучении во время фотодинамической терапии скорость потребления кислорода может существенно возрасти из-за его взаимодействия с возбужденными молекулами фотосенсибилизаторов, перехода в синглетное состояние и последующего окисления компонентов ткани. Этот дополнительный расход кислорода может существенно подавить степень оксигенации крови в микроциркуляторном русле, например изменить степень оксигенации гемоглобина в зависимости от плотности мощности лазерного облучения.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ