Применение метода коблации для удаления злокачественных новообразований

Применение метода коблации для удаления злокачественных новообразований

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

Институт физико-технический

Кафедра «Прикладная физика»

Направление 140800 «Ядерные физика и технологии»

Специальность 14.04.02 «Медицинская физика»

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

«Применение метода коблации для удаления злокачественных новообразований»

Выполнил:

студент группы 0АМ43Оспан А.А.

Проверил:

Научный руководитель:Алейник А.Н.

Томск - 2015

Содержание

Введение

.Экспериментальные исследования

.Оценка кинетических параметров

.Основные результаты

.Высокочастотные электрохирургические аппараты серии «Плазмотом»

Заключение

Введение

С 1950-х годов и до настоящего времени, широкое применение в разных отраслях клинической хирургии получили электрохирургические высокочастотные аппараты. Однако тепловой механизм разрушения тканей приводит к выраженной термодеструкции окружающих биотканей, затрудняя последующую их регенерацию, снижая функциональный эффект операции. Метод- «коблации» (сold ablation) используется в клинической практике с 1995 года. Физической основой метода коблации является - создание достаточной разности потенциалов между контактами электрода (100-300 В), вызывающей ионизацию электропроводящего раствора NaCl или KCl с формированием устойчивого тонкого слоя ионизированного пара между электродами.

Высокочастотные электрохирургические аппараты используются в медицинской практике с середины XX столетия; электрохирургия продолжает и сейчас активно развиваться. Механизм рассечения и коагуляции тканей в традиционной высокочастотной электрохирургии носит чисто тепловой характер. По этой причине, несмотря на широкое распространение, традиционная электрохирургия имеет существенный недостаток: выделяется слишком большое количество тепла, что приводит к побочному эффекту - значительному термическому повреждению окружающих тканей [1]. Выполненные в последние годы исследования по генерации низкотемпературной плазмы в форме высокочастотного тлеющего разряда в электролитной среде физиологического раствора и особенностям ее взаимодействия с биологическими тканями позволили разработать принципиально новые электрохирургические технологии. Одной из таких технологий является коблация - объемное плазмо-химическое удаление тканей [2], [3]. С появлением серии аппаратов, созданных компанией «Arthro

Care» (США), коблация нашла широкое применение в таких областях хирургии, как артроскопия, ЛОР-хирургия, спинальная хирургия, косметология и гинекология. На основе принципа коблации сейчас создаются новые технологии для лапароскопии, в частности разработана хирургическая система «Vista CTR™ System» (ACMI Corp., Southborough, MA) для применения в урологии [4]. Система включает в себя плазменную хирургическую установку, позволяющую разрезать и удалять мягкие ткани в монополярном и биполярном режимах коблации с одновременным гемостазом. Коагуляция мелких кровеносных сосудов, находящихся в смежной с зоной удаления ткани области, осуществляется остаточным потоком тепла, распространяющимся за пределы границы плазмы. Для коагуляции крупных кровеносных сосудов используется специальный режим, позволяющий выполнить гемостаз за счет мягкого термического воздействия. Такой режим достигается изменением напряжения до уровня, находящегося ниже порога образования плазмы и молекулярного расщепления биоткани. Тем не менее получение адекватного гемостатического эффекта при хирургическом воздействии с помощью низкотемпературной плазмы является весьма актуальной задачей. Одним из путей решения данной проблемы может быть переход к импульсному режиму с возбуждением аномального тлеющего разряда на рабочем электроде [5]. Обзор последних литературных источников по использованию низкотемпературной плазмы в электрохирургии указывает на заметный рост прикладных работ по исследованию физики тлеющего разряда на границе биоткань-электрод в среде жидкого электролита. Появление таких работ открывает принципиально новые возможности для создания аппаратуры с режимом генерации низкотемпературной плазмы и инновационных технологий ее использования в различных областях хирургии. Однако при разработке аппаратуры и оптимизации ее параметров возникает множество вопросов, связанных с механизмом плазмообразования, кинетикой плазмы тлеющего разряда на границе раздела фаз плазма-металлический электрод и плазма-электролитный электрод, с энергетическими параметрами высокочастотной накачки, конструктивными параметрами электродов и т. п.

1. Экспериментальные исследования

Чтобы ответить на эти вопросы, исследовали плазменный разряд тлеющего типа с высокочастотной накачкой в объеме электролита вокруг металлического электрода. При хирургическом воздействии активным электродом является «горячий» металлический электрод с одной стороны, а с другой - жидкий электролитный квазиэлектрод на границе плазмы и биоткани. В эксперименте для формирования электролитного электрода использовался изотонический соляной раствор (0,9%-ный весовой раствор NaCl в воде). Электропроводность соляного раствора, составляющая 1,5 См при температуре 23 °С, является важным фактором в определении многих элементов электрической цепи, в которой формируется плазменный разряд. Наличие электролита вокруг поверхности металлического электрода приводит к образованию однородного по толщине плазменного слоя. Плазменный слой формирует в электролите парогазовый поршень с конфигурацией, повторяющей конфигурацию рабочего электрода. Данный режим будет иметь место до тех пор, пока расширение парогазового поршня не нарушит условие малости толщины плазменного слоя по сравнению с характерным размером металлического электрода. Поскольку слой плазмы образуется вокруг металлического электрода, находящегося в объеме жидкости или биоткани, то электрическая цепь формирования плазмы является монополярной. В наших исследованиях инициация плазмы осуществлялась высокочастотным током с частотой 0,11, 2,64 и 6,78 МГц при амплитудном значении напряжения на электроде в диапазоне до 520 В.

Рабочий электрод имел форму эллипсоида с полуосями 3 ∙ 10-6 и 3 ∙ 10-5 м и был погружен в электролит (физиологический раствор, имитирующий биологическую ткань) на половину высоты. Исследование динамики падения тока, протекающего через металлический электрод, на переднем фронте импульса показало, что время вскипания электролита на острие электрода вследствие неустойчивого перегрева имеет величину (3...4) х 10-5 с, а скорость распространения фронта кипения по поверхности электрода составляет приблизительно (1...2) х 102м.с-1. Первая фаза плазмообразования, заключающаяся в образовании парогазового поршня, характеризует переход от пузырькового к пленочному режиму кипения и носит черты кризисного явления: наблюдается внезапное резкое снижение интенсивности теплоотдачи и соответствующее увеличение температуры теплоотдающей поверхности. Паровая пленка испытывает пульсации: периодически накапливающийся пар отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Процесс перехода к пленочному кипению, сопровождающийся возрастанием напряжения и уменьшением тока, показан на pисунке 1 в виде осциллограммы тока и напряжения для частоты накачки 2,64 МГц. Измерения тока и напряжения показывают, что сопротивление цепи работает в соответствии с линейным законом Ома при низком напряжении (менее 180 В). При более высоком напряжении, где наблюдаются видимое излучение света и большая скорость образования пузырей, сопротивление становится нелинейным, а на осциллограмме тока наблюдаются гармонические колебания. Среднее сопротивление повышается с увеличением напряжения, согласуясь с формированием паровых слоев, появляющихся вокруг электрода.

Рисунок 1. Процесс перехода к пленочному кипению без образования плазмы: напряжение - 500 В/кл., ток - 1 А/кл., развертка - 500 мкс/кл. (где кл. - клетка)

Вторая фаза перехода от пленочного кипения к тлеющему разряду показана на рисунок 2. Появление плазмы тлеющего разряда сопровождается значительным снижением силы тока, протекающего через электрод, с величины 4.. .5 до 0,4.. .0,5 А и величины потенциала вблизи «горячего» электрода (вне области плазмы), что свидетельствует о том, что при зажигании плазмы большая часть падения напряжения происходит на тонком плазменном слое.

Рисунок 2. Динамика перехода от пленочного кипения к плазме. Осциллограммы напряжения (500 В/кл.) и тока (1 А/кл.); развертка - 20 мкс/кл.

Третья фаза - стабилизация плазмы тлеющего разряда изображена на рис. 3. Вокруг электрода образуется устойчивая тонкая (50... 100 мкм) парогазовая оболочка (ПГО), характеризующаяся малыми колебаниями тока при U = const. Напряженность электрического поля в оболочке достигает 104...105 В/см. При температуре около 100 °С такая напряженность способна вызвать ионизацию паров, а также эмиссию ионов и электронов, необходимую для поддержания стационарного тлеющего электрического разряда в парогазовой оболочке.

Рисунок 3. Динамика стабилизации тлеющего разряда. Осциллограммы напряжения (500 В/кл.) и тока (1 А/кл.)

Для установившегося тлеющего разряда, изображенного на рисунке 4, осциллограмма тока, протекающего через электрод, приведена на рисунке 5.

Рисунок 4. Установившийся аномальный тлеющий разряд на петлевом электроде; несущая частота - 2,64 МГц

Риунок. 5. Осциллограмма тока при тлеющем разряде; амплитудное значение питающего напряжения 520 В, частота - 2,64 МГц

Химические элементы, такие как натрий и хлор, малоподвижны в газовой фазе. Тем не менее происходит их проникновение в паровую фазу, хотя сделанная на основе равновесной термодинамики оценка их концентрации дает 10-14 от величины равновесной паровой плотности молекул Н2О [6]. Поэтому целесообразно считать, что их проникновение в газовую фазу обусловлено неравновесными процессами, такими как мгновенное испарение и десорбция, стимулированная электронами, ионами, электрическим полем. Спектроскопические наблюдения показывают, что соляной раствор является источником активных радикалов ОН и атомов Н и Na в плазме. Наличие линий атома Н и радикала ОН указывает на молекулярный распад воды на активные составляющие, чем и обусловлена высокая химическая активность плазмы.

Рисунок 6. Спектр оптического излучения плазмы тлеющего разряда

Спектр оптического излучения, отражающий выделение натрия, гидроксильных радикалов и атомов водорода, представлен на рисунке 6. Анализ энергетических потоков в плазме при толщине слоя тлеющего разряда ∆L ~ 1,5∙10-4м проведен с помощью оценки ряда параметров плазмы, выполненных на основе экспериментальных и справочных данных. Результаты оценок приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Оценка электронной температуры Те была получена методом эмиссионной спектроскопии в предположении о локальном термодинамическом равновесии в плазме. Частота упругих столкновений Ve (длина свободного пробега) электрона в насыщенном паре при температуре t ≈ 100 °С и атмосферном давлении оценивалась, исходя из величины электронной температуры Те и табличного значения сечения рассеяния Oe молекулой воды свободного электрона при температуре Tе [8]. Концентрация свободных электронов nе в плазме оценивалась, исходя из плотности тока в плазменном слое J ≈ 1,3∙105 А-м-2 и величины Ve ≈ 3,7∙1012 с-1, что позволило получить значение nе ≈ 4,3∙1018 м-3. Отметим, что данная оценка делалась из предположения о постоянстве напряженности поля в плазме и не учитывала сложного распределения потенциала в приэлектродном пространстве тлеющего разряда. Приведенная напряженность электрического поля в плазме ЕlN ≈ 1,4∙10-19 В.м2, где N - концентрация молекул в водяном паре при температуре Т ≈ 150 °С и атмосферном давлении. Пиковое значение напряженности поля Е вычислялось, исходя из толщины плазменного слоя d ≈ 1,5∙10-4 м, и равнялось Е ≈ 3,8∙106 В.м-1. Плотность мощности энерговыделения в плазме можно оценить как величину, равную W= 0,5 ∙ ne ∙ me ∙ ve ∙ ue2 = 2,5 ∙ 1011 Дж.с-1 ∙ М-3 (mе -масса электрона), что дает для диссипируемой мощности величину Р ~ 140 Вт в объеме плазмы V ≈6 ∙ 10-10 м3. При этом импульсная мощность, потребляемая во время эксперимента от источника высокочастотного питания, составляла величину примерно 150 Вт, что близко к полученной оценке. Механизм диссипации энергии определяется в основном неупругими потерями за счет диссоциативного «прилипания» горячих электронов в плазме водяного пара при энергии примерно 4 эВ [6]. Происходит «прилипание» свободного электрона к молекуле воды и ее последующая диссоциация с образованием иона Н- и молекулы гидроксила ОН. При этом важным моментом является то, что характерное время диффузии водорода и молекул гидроксила к электродам при толщине плазменного слоя ∆L ≈ 10-4 м и их последующей гетерогенной рекомбинации на электродах меньше характерного времени их объемной рекомбинации. Это означает, что диссипация энергии, полученной от разогретых в межэлектродном промежутке электронов, происходит преимущественно на поверхности металлического электрода и границе раздела парэлектролит посредством поверхностной гетерогенной рекомбинации. Таким образом, переход энергии диссоциации в тепло связан с поверхностными энергетическими источниками, обусловленными гетерогенной рекомбинацией поступающих из плазмы ионов, активных атомов и молекул. Эти источники локализованы исключительно на границах раздела фаз плазма-металлический электрод и плазма-электролитный электрод, и, следовательно, мощность данных источников определяется током, протекающим через плазму, и практически не зависит от ее температуры.

. Основные результаты

. Формирование высокочастотного плазменного разряда тлеющего типа в объеме жидкого электролита проходит три фазы: фаза образования парогазового поршня, сопровождающаяся переходом от пузырькового к пленочному режиму кипения; неустойчивая фаза перехода от пленочного кипения к тлеющему разряду; фаза стабилизации плазмы тлеющего разряда, характеризующаяся образованием вокруг электрода устойчивой тонкой (50... 100 мкм) парогазовой оболочки (ПГО) и малыми колебаниями тока при U = const. 2. Горение плазменного тлеющего разряда в изо- тоническом водном растворе NaCl для игольчато- го и петлевого электродов с характерными размерами (l ≈ 15...20 мм; d ≈ 0,3...0,5 мм) может быть обеспечено высокочастотным током частотой 0,11...2,64 МГц при амплитудном значении напряжения на электроде от 370 до 520 В. 3. Диссипация энергии, полученной от разогретых в межэлектродном промежутке электронов, происходит преимущественно на поверхности металлического электрода и границе раздела пар- электролит посредством гетерогенной рекомбинации. 4. Энергия, связанная с разогревом свободных носителей заряда в плазме (электронов), уходит на диссоциацию водяного пара и в меньшей степени тратится на его непосредственный нагрев. Поскольку Tе >>Tgas, температура плазмы может оставаться низкой. 5. Переход энергии диссоциации в тепло связан с поверхностными энергетическими источниками, обусловленными гетерогенной рекомбинацией по- ступающих из плазмы ионов, активных атомов и молекул. Мощность этих источников определяется током, протекающим через плазму, и практически не зависит от ее температуры, что дает возможность изменять температуру плазмы. 6. Воздействие низкотемпературной плазмы на биологические ткани имеет плазмохимическую природу и является чрезвычайно активным за счет образования в плазме химически активных ионов Н- и гидроксильных радикалов ОН. В частности, радикал ОН отвечает за расщепление белковых структур [8]-[10]. 7. В процессе хирургического воздействия граница раздела между массивом ткани и плазмой является источником проникающих из плазмы активных частиц, которые обусловливают механизмы рассечения и удаления ткани. Так как поверхность удаляемой ткани подвержена воздействию частиц плазмы, то возможен небольшой некроз прилегающей области. Очевидно, что степень и глубина тканевого некроза зависят от специфики хирургического вмешательства.

Рисунок 7. Аппарат «ПлазмоТом-ГХ»

4. Высокочастотные электрохирургические аппараты серии «ПлазмоТом»

Результаты исследования аномального тлеющего разряда на рабочем электроде в среде электролита были положены в основу разработки высокочастотных электрохирургических аппаратов с режимом генерации низкотемпературной плазмы серии «ПлазмоТом», проводимой научно-производственной компанией ООО «Новые энергетические технологии». В настоящее время разработаны и подготовлены к производству три инновационные модели: аппарат для применения в гинекологии «Плазмо-Том-ГХ», аппарат для применения в общей хирургии «ПлазмоТом-ОХ», аппарат для применения в челюстно-лицевой хирургии «ПлазмоТом-ЧХ». Все аппараты серии «ПлазмоТом» (рис. 7) имеют единую эргономику и дизайн и отличаются главным образом набором рабочих частот, математическим обеспечением, логикой интерфейса. В качестве особенностей аппаратов серии «ПлазмоТом» следует отметить следующие: 1. Реализован плазменный режим воздействия на биоткани на рабочих частотах: 0,11; 2.64; 6,78; 13,56 МГц (в различных сочетаниях для каждой мо- дели), для которого характерны: 1.1 образование в тонком паровом слое по поверхности электрода низкотемпературного разряда, близкого по характеристикам к «тлеющему»; 1.2 падение основной части подводимого к рабочему электроду напряжения на плазменном слое; 1.3 значительное снижение уровня энерговыделения за плазменным слоем (в объеме биоткани); 1.4 разрушение биоткани на границе плазма- биоткань. 2. Факторами воздействия на биоткань являются: 2.1 выделение энергии за счет гетерогенной рекомбинации на границе плазма-биоткань; 2.2 ультрафиолетовое излучение; 2.3 возможное воздействие на биомолекулы сил, имеющих керровскую природу; 2.4. наличие пероксида водорода и ОН-групп на границе плазма-биоткань. 3. Уровень диссипируемой мощности может выбираться частотой следования импульсов. Генерация высокочастотной мощности до 250 Вт на всех рабочих частотах обеспечивается в рабочем диапазоне изменений импеданса. 4. Автоматическое поддержание режима работы на пороге образования «тлеющего» разряда осуществляется за счет нелинейности процесса высокочастотного разряда (по амплитуде высших гармоник). 5. Возможность перехода к режиму пробоя (искрового разряда) позволяет реализовать взрывной механизм разрушения биотканей. 6. Регистрация и анализ величин напряжения на электроде, тока и выделяемой мгновенной мощности для реализации различных алгоритмов автоматического управления параметрами электрохирургического воздействия осуществляются на основе динамической обратной связи.

коблация электрод новообразование разряд

Заключение

В данной работе проведен выбор объектов исследования для применения метода коблации. Описан макет экспериментальной установки для исследования и оптимизации электрических и технологических параметров процесса, реализующего метод коблации. Представлены результаты поискового эксперимента по коблации биоткани, подтверждающего перспективность применения этого метода для удаления кожных папиллом, а также патологически измененного апоневроза при контрактуре Дюпюитрена.

Список используемой литературы

Долецкий С.Я., Драбкип Р.П., Леиюшкип А.И. Высокочастотная электрохирургия. - М.: Медицина, 1980. 198 с. (дата обращения: 01.06.2015).J., Gilbride С. Coblation technology: Plasma meditation ablation for otolaryngology applications / Rep. Arthro Care Corp. - Sannvale. CA 940886.2001. P. 102- (дата обращения: 01.06.2015).J., Kenneth R., Brown G. Plasma charateristics of repetitivity-pulsed electrical discharges in saline solutions used for surgical procedures // IEE Transactions on Plasma Science. 2001. Vol. 30. № 2. P. 1376-1383. (дата обращения: 01.06.2015).

Пателъ А., Адшед Ж. Биполярная TURP: первый мультицентровый опыт нового подхода с исполь зованием технологии кобляции // J. Endourology. 2003. 17 (1): А190. (дата обращения: 01.06.2015).S.R., Tucker R.D. Essentials of Monopolar Electrosurgery. - Electrosurgical Concepts. USA. 1992. (дата обращения: 02.06.2015).K.S. Thermodynamics of sodium chloride in steam//J. Phys. Chem. 1983. Vol. 87. P. 1120-1125. (дата обращения: 02.06.2015).B.E. Gaseous Electronics and Gas Laser. - Oxford, N.Y. Pergamon Press, 1982. (дата обращения: 02.06.2015).J., Arnhold J., Schwinn J., Sprinz H., Brede O. and Arnold K. Reactivity of cartilage and selected carbohydrates with hydroxyl radicals II Free Rad. Res. 1998. Vol. 28. P. 215-228. (дата обращения: 03.06.2015).W.M. Reaction mechanisms in the radiolysis of peptides, polypeptides, and proteins // Chem. Rev. 1987. Vol. 87. P. 381-398. (дата обращения: 02.06.2015).C.L. and Davies M.J. Generation and propagation of radical reactions on proteins // Biochem. Biophys. Acta. 2001. Vol. 1504. P. 196-219 (дата обращения: 03.06.2015).