Многофункциональный аппарат "Модуль-ГФ" для но-вых лазерных технологий в онкологии

В.Н.Свирин, к.т.н., ФГУП НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха, Москва

Лазерные технологии, и в первую очередь, фотодинамическая терапия (ФДТ) и локальная лазер-индуцированная термотерапия (ЛИТТ), успешно применяются при лечении онкологических заболеваний. Имеется множество отечественных и зарубежных публикаций в виде научных статей и докладов на конференциях, например, в источниках SPIE, а также в патентной литературе, по вопросам методологии, выбора типа фотосенсибилизатора, применения соответствующих технических средств.

Исследования и клинические испытания, проведенные как в России, так и за рубежом, доказали эффективность и перспективность указанных методов. Следующим шагом стал метод сочетанной фотодинамической и лазериндуцированной термотерапии. В России он разрабатывается в МНИОИ им. П.А.Герцена под руководством проф. В.В.Соколова.

В настоящее время общепринято, что лечение злокачественных опухолей при ФДТ представляет собой повреждение опухолевых клеток, происходящее в процессе фотохимической реакции. В опухолевую область вводят фотосенсибилизатор, который накапливается в опухоли и задерживается в ней дольше, чем в нормальных тканях. При локальном облучении на длине волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора, в опухоли начинается фотохимическая реакция с образованием синглетного кислорода и свободнорадикальных продуктов, оказывающих токсическое воздействие на опухолевые клетки. Опухоль резорбируется и постепенно замещается нормальной тканью.

При локальной ЛИТТ высококонцентрированная энергия лазера на длине волны, соответствующей максимуму поглощения биоткани, преобразуется в тепловую энергию, что приводит к разрушению клетки. Основными факторами гибели клеток при тепловом воздействии являются некроз цитоплазмы клеток, разрушение поверхностной мембраны, изменение биосинтетических и ферментативных процессов, нарушение кровоснабжения [ 1] .

Исследования, проведенные в МНИОИ им. П.А.Герцена, в том числе с применением аппарата "Модуль-ГФ", разработанного ФГУП НИИ "Полюс", показали, что сочетанное воздействие ФДТ и ЛИТТ (в ИК диапазоне) взаимно потенцирует противоопухолевое действие как при поверхностных, так и при глубоко располагающихся опухолях и повышает эффективность лечения.

В 1999г. были сформулированы требования к аппарату для реализации сочетанного режима ФДТ и ЛИТТ. В 2000г. ФГУП НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха был изготовлен и поставлен в МНИОИ им. П.А.Герцена его экспериментальный образец, обеспечивающий возможность углубленных исследований разрабатываемого метода; в конце 2001г. – второй образец. На этом этапе к проектированию аппарата "Модуль-ГФ" подключился МГИЭМ (ТУ), г.Москва.

"Модуль-ГФ" состоит из двух блоков. Функциональный блок включает в себя генератор лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковых лазеров, который по единому волоконно-оптическому кабелю (Æ 600 или 400 мкм) формирует двухволновое лазерное излучение; программируемый блок управления режимами функционирования аппарата на основе встроенного микропроцессора; системы визуализации задаваемых режимов функционирования и измерения уровня генерируемой мощности лазерного излучения; неинвазивный и инвазивный термодатчики для контроля температуры биоткани. Во вспомогательном блоке расположен источник питания, предусмотрено также место для хранения инструкций, методик и необходимого инструментария. Программное обеспечение операционной системы "Модуля-ГФ" на основе встроенного микропроцессора или под управлением персонального компьютера (ПК) позволяет реализовать следующие режимы:

• режим генерации излучения Р> 1 Вт в видимом диапазоне (l =0,67 мкм для ФДТ);
• режим генерации излучения в ИК диапазоне (l =1,064 мкм, Р> 10 Вт для ЛИТТ);
• режим измерения параметров лазерного излучения;
• калибровочный режим;
• режим взаимодействия с ПК.

При проведении терапевтических процедур в сочетанном режиме ФДТ и ЛИТТ или только ЛИТТ температура биоткани определяется термодатчиком, сигнал от которого поступает в микропроцессорную систему управления. В конкретном аппарате используются два термодатчика – контактный, игольчатого типа с p-n переходом и бесконтактный, на основе пироэлектрического элемента. При терапевтической процедуре может применяться либо один из термодатчиков, либо два одновременно. В последнем случае управление мощностью излучения для обеспечения заданного уровня температуры осуществляется от одного из датчиков, при этом другой находится только в режиме измерения.

Благодаря цифровому управлению в режиме широтно-импульсной модуляции во время терапевтической процедуры поддерживается температура биоткани в диапазоне от 30° С до 70° С с точностью ± 0,2° С.

При проведении ФДТ в аппарате формируется два самостоятельных режима:

• непрерывного лазерного излучения;
• квазистатический режим лазерного излучения.

Для контроля параметров лазерного излучения предусмотрены два подрежима, позволяющих измерять соответственно его мощность и плотность мощности.

Калибровочный режим аппарата относится к разряду регламентных и предназначен для калибровки точностных характеристик температурных сенсоров, измерителя мощности и плотности мощности лазерного излучения. Для этой цели разработаны специальные методики и программа, которая реализуется на ПК "Pentium-III" и выше.

Аппарат может функционировать как в автономном режиме, так и под управлением ЭВМ ПК через порт RS-232. Управление от ЭВМ целесообразно использовать при исследовательских процедурах, создании режимов терапевтических процедур и разработке новых клинических методик.

По сравнению с известными в настоящее время устройствами последнего поколения типа "Кристалл", "Аткус -15", "Аткус-2", "Лазон -10П", "Милон" и "Geralas РДТ, выполненными на основе мощных полупроводниковых лазеров, разработанный в НИИ "Полюс" аппарат "Модуль-ГФ" обладает рядом важных особенностей:

1. Аналогичные аппараты функционируют как "генераторы" лазерного излучения, где уровень выходной мощности устанавливается и остается постоянным вне зависимости от состояния биоткани пациента и, в первую очередь, от ее температуры. Как известно, в режиме гипертермии температура биоткани должна находиться в пределах 42-45° С (обычно 42,5° С). "Модуль-ГФ" по каналу ЛИТТ представляет собой систему автоматического регулирования, которая обеспечивает поддержание на биоткани заданной температуры с точностью не хуже ± 0,2° С. С этой целью в аппарате впервые реализован контур обратной связи по температуре нагрева биоткани с применением как контактных, так и бесконтактных термосенсоров [ 2,3] .
2. В "Модуле-ГФ" впервые практически решена проблема реализации метода сочетанного использования ФДТ и ЛИТТ. Аппарат обеспечивает формирование и доставку до пациента лазерного излучения по одному световоду как при сочетанном режиме ФДТ и ЛИТТ, так и при их раздельном использовании. При этом возможно независимое управление параметрами излучения и в видимой области (в зависимости от фотосенсибилизатора), и в ближнем ИК диапазоне (в зависимости от режима гипертермии) [ 4-6] . Известные аппараты осуществляют только раздельную реализацию режимов ФДТ и ЛИТТ.
3. В аппарате "Модуль-ГФ" реализован управляемый фракционированный режим лазерного излучения, при котором его средняя мощность является функцией временных характеристик параметров излучения:

Р_ср=Р_max× Q,

где Р_max – максимальная мощность, а Q=t _u/T_n - cкважность, моделируемая в пределах 0£ Q£ 1 на заданном такте управления.

4. Параметры лазерного излучения "Модуль-ГФ":

• На длине волны l =0,81¸ 1,06 мкм (конкретное значение из указанного диапазона согласовывается с заказчиком) мощность излучения 10, 15, 20 Вт (по согласованию с заказчиком) с дискретностью регулирования 0,1 Вт.
• На длине волны l =0,66¸ 0,69 мкм (конкретное значение согласовывается с заказчиком) мощность излучения 1,0 ¸ 1,5 Вт (по согласованию с заказчиком) с дискретностью регулирования 0,01 Вт.

1. Программное управление всеми режимами и терапевтическими процедурами, а также визуализация всех действий оператора на индикаторном табло улучшают пользовательские характеристики.
2. Габаритные размеры функционального блока 400´ 170´ 460 мм; вспомогательного - 400´ 170´ 460 мм. Масса функционального блока – 18 кг. Потребляемая мощность от сети 220 В - не более 120 Вт.

Коллективом авторов в составе представителей МНИОИ им. П.А.Герцена, ФГУП НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха и МГИЭМ указанные решения защищены патентом РФ.

По своей структуре и выходным параметрам "Модуль-ГФ" является многофункциональным лазерным терапевтическим аппаратом (МЛТА), предназначенным, в первую очередь, для лечения онкологических заболеваний лазерно-оптическими методами. Он разрабатывался применительно к фотосенсу и обеспечивает применение в ФДТ фотосенсибилизаторов второго поколения типа "фотодитозин" и "радахлорин" с максимумом поглощения в области 602-664 нм. В случае необходимости по требованию заказчика аппарат может быть доработан для использования фотосенсибилизаторов типа "фотогем" с максимумом поглощения в области 630 нм.

Хотя методы ФДТ и ЛИТТ успешно совершенствуются и применяются в клинической практике уже более 20 лет, они остаются перспективной технологией лечения онкологических заболеваний. Быстрая динамика их дальнейшего развития и использования подтверждается работами в области сочетанной ФДТ и ЛИТТ, проводимыми в МНИОИ им. П.А.Герцена.

Анализ отечественных и зарубежных источников показывает, что представленные в аппарате "Модуль-ГФ" технические решения по реализации лазерно-оптических методов терапии патологий могут быть востребованы в различных областях медицины.

Опыт использования "Модуля-ГФ" при проведении медико-биологических исследований позволил выявить ряд проблем, решение которых обеспечит существенное расширение применения лазерно-оптических методов и аппаратов МЛТА в медицине и, в первую очередь, в онкологии. Наиболее важными из этих проблем являются:

• Контроль температуры мягких тканей неинвазивными методами с необходимой точностью (не хуже 0,5° С) не только на поверхности, но и в глубине [ 7] .
• Контроль пространственной локализации патологии, например, злокачественной опухоли в биоткани.
• Оперативная диагностика и мониторинг лечебного процесса.
• Оснащение МЛТА широким спектром периферийного инструментария для лечения патологий различных локализаций, в том числе специальными волоконно-оптическими кабелями, термосенсорами и другими датчиками, обеспечивающими необходимый контроль за проведением терапевтических процедур.
• Оперативная адаптация параметров МЛТА при проведении терапевтических процедур с использованием различных методов и режимов взаимодействия лазерного излучения с биотканью.

Создание МЛТА с учетом этих проблем позволяет удовлетворить потребность в технических средствах для реализации различных лазерных методов лечения онкологических и других

"ЛАЗЕР-ИНФОРМ. Информационный бюллетень Лазерной ассоциации", № 1-2 (256-257) январь, 2003 г.
Автор: В.Н.Свирин, к.т.н., ФГУП НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха, Москва
19 февраля 2003 г.