Член-корреспондент РАН Иван ЩЕРБАКОВ, директор Института общей физики РАН

Лазеры - одно из величайших открытий XX в., изменивших облик окружающего мира. Они нашли применение в промышленном производстве, бытовой электронике, космических технологиях, системах передачи и обработки информации, медицине.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА С БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНЬЮ

Широкое распространение лазеры получили благодаря их уникальному свойству максимально концентрировать энергию в пространстве, во времени и в спектральном диапазоне. Их излучение, применяемое в медицинской практике, простирается от ультрафиолетовой до средней инфракрасной области. При этом плотность энергии может меняться на 3 порядка (от 1 до 10³ Дж/см²), плотность мощности - на 18 (от 10^-3 до 10¹⁵ Вт/см²), временной диапазон - на 16: от непрерывного излучения (~10 с) до фемтосекундных импульсов (10^-15 с). Такие широкие вариации параметров дают возможность организовывать самые разные механизмы воздействия на биологическую ткань.

На первых стадиях развития лазерной медицины биоткань представляли как воду с "примесями" (человек, как известно, на 75 - 80% состоит из воды). Поэтому считали, что механизм воздействия на нее излучения определяется поглощением воды. При использовании непрерывных лазеров такая концепция была более или менее работоспособна: если надо воздействовать на поверхность, следует выбирать длину волны излучения, сильно поглощаемого водой, при необходимости объемного влияния оно

должно поглощаться слабо. Однако, как выяснилось в дальнейшем, другие компоненты биоткани тоже обладают этим свойством (в частности, в видимой области спектра существует сильное поглощение крови). Так пришло понимание того, что биоткань - гораздо более сложный объект.

С развитием импульсных лазеров и исследованием их воздействия на биологическую ткань стало ясно, что результаты взаимодействия зависят от комбинации длины волны, плотности энергии и длительности импульса излучения. В частности, длительность импульса является важным фактором, позволяющим разделить термическое и нетермическое воздействие. В медицинскую практику вошли лазеры с большим диапазоном изменения этого параметра: мили-, микро-, нано-, пико- и фемтосекунды (10^-15 с). Причем эффективными оказались различного рода нелинейные процессы: оптический пробой на поверхности мишени, многофотонное поглощение, образование и развитие плазмы, генерация и распространение ударных волн. Стала очевидной невозможность создания простого единого алгоритма поиска нужного лазера, так как каждый конкретный случай требует индивидуального подхода. С одной стороны, это крайне осложнило задачу, а с другой - открыло фантастические возможности варьировать способы воздействия на биологическую ткань.

Следует иметь в виду и тот факт, что большое значение при взаимодействии излучения с ней имеет рассеяние. А если поглощение превалирует над ним, то излучение экспоненциально затухает при прохождении через среду.

В условиях доминирования рассеяния над поглощением, что характерно для большинства биологических сред в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, достоверные оценки можно получить, используя при анализе распространения лазерного излучения в тканях модель диффузного приближения.

Из сказанного следует: при создании лазера для конкретных операций необходимо учитывать нелинейные процессы и соотношение рассеяния и поглощения.

ДВА В ОДНОМ

На основании комплексного подхода в Институте общей физики создан хирургический комплекс "Лазурит", способный выступать в качестве скальпеля-коагулятора и литотриптора - прибора для разрушения камней в органах человека. Причем литотриптор работает на принципе, обеспечивающем ему уникальные свойства, основанном на воздействии импульсов излучения двух длин волн микросекундной длительности. При этом используется лазер на базе кристалла Nd:YAlO₃ (длина волны 1,0796 мкм) и его второй гармоники (излучение в зеленой области спектра). Установка снабжена блоком обработки видео, что позволяет следить за операцией в реальном времени.

Двухволновое лазерное воздействие микросекундной длительности обеспечивает фотоакустический механизм фрагментации камней, основанный на оптико-акустическом эффекте - генерации ударных волн при взаимодействии лазерного излучения с жидкостью, открытом лауреатом Нобелевской премии 1964 г. академиком Александром Прохоровым* с сотрудниками. Воздействие является нелинейным,

* См.: А. Прохоров, Е. Дианов. Волоконная оптика: проблемы и перспективы. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

многостадийным, включающим оптический пробой на поверхности камня, образование плазменной искры, развитие кавитационного* пузыря, генерацию и распространение ударной волны при его коллапсе. Таким образом, разрушение камня происходит через ~700 мкс с момента падения лазерного излучения на его поверхность в результате ударной волны, генерируемой при коллапсе кавитационного пузыря.

Преимущества данного метода очевидны. Прежде всего он безопасен для окружающих мягких тканей, так как ударная волна не поглощается ими и, следовательно, не наносит им никакого вреда, что присуще другим лазерным способам литотрипсии. Причем он эффективен при фрагментации камней любой локализации и химического состава. Процесс этот идет с высокой скоростью: продолжительность разрушения твердых образований варьируется в диапазоне 10 - 70 с в зависимости от их химического состава. Отсутствует повреждение волоконного инструмента при доставке излучения за счет оптимально выбранной длительности импульса. Радикально снижаются осложнения и сокращается послеоперационный период лечения.

Скальпель-коагулятор комплекса "Лазурит" позволяет, в частности, успешно делать операции на кровенаполненных органах (например, на почке), осуществлять лапароскопическим методом (т.е. без разреза, через проколы) резекцию онкологических опухолей с минимальной кровопотерей, без пережатия почечных сосудов и создания искусственной ишемии, сопутствующей принятым сейчас способам хирургического вмешательства. При эффективной глубине проникновения импульсного одномикронного излучения ~1 мм одновременно с этим процессом можно проводить коагуляцию, гемостаз и достигать абластичности раны (т.е. удаления опухоли с захватом здоровых тканей во избежание рецидива). В настоящее время проходит стадия разработки новой медицинской технологии резекции почки и получения разрешения на ее применение в клинической практике.

Комплекс прошел клинические испытания в ведущих медицинских центрах РФ, в том числе в НИИ урологии Росздрава, Центральной клинической больнице ОАО "Российские железные дороги" (Москва). По их итогам "Лазурит" в 2008 г. включили в Государственный реестр изделий медицинского назначения и после получения необходимых разрешительных документов запустили в мелкую серию.

ПРИМЕНЕНИЯ В ОФТАЛЬМОЛОГИИ

В России более 70 млн. человек имеют различные недостатки органов зрения. По статистике каждый пятый близорук, с возрастом же, как правило, развивается дальнозоркость. Одним словом, практически все вынуждены прибегать к коррекции. Спрос на подобные операции чрезвычайно высок. Только в Межотраслевой научно-технический комплекс "Микрохирургия глаза" им. С. Н. Федорова (Москва), с которым Институт общей физики поддерживает партнерские отношения, ежегодно обращаются с теми или иными офтальмологическими заболеваниями свыше 600 тыс. пациентов.

* Кавитация (от лат. cavitas - пустота) - образование в жидкости полостей - кавитационных пузырьков, заполняемых газом или паром. Перемещаясь с потоком в область более высокого давления, они схлопываются, образуя при этом ударную волну (прим. ред.).

В нашем институте создали офтальмологическую лазерную систему "Микроскан" на основе ArF эксимерного лазера* с длиной волны излучения 193 нмдля коррекции близорукости, дальнозоркости и астигматизма. Реализован метод так называемого "летающего пятна". При этом роговицу глаза засвечивают пятном излучения диаметром ~0,7 мм и, сканируя его по заданному компьютером алгоритму, изменяют ее форму. Коррекцию зрения на одну диоптрию при частоте повторения импульсов 300 Гц обеспечивают за 5 с. Воздействие поверхностное, так как излучение с длиной волны 193 нм сильно поглощается роговицей. Система слежения обеспечивает высокое качество операции независимо от подвижности глаза пациента.

"Микросканами", сертифицированными в России, странах СНГ, Европе и Китае, оснащены 45 российских клиник. Они занимают 55% отечественного рынка.

Примером плодотворного сотрудничества академических организаций с образовательным учреждением служит создание офтальмологического комплекса, состоящего из модернизированной установки "Микроскан", "Микроскан Визум", фемтосекундной лазерной системы "Фемто Визум" и диагностической аппаратуры. В рамках единой программы, поддержанной Федеральным агентством по науке и инновациям, Институт общей физики разработал для него хирургический инструмент, а Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН из подмосковной Шатуры и Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова обеспечили диагностическими средствами.

На принципе работы "Фемто Визума" следует остановиться подробнее. В основе установки лежит неодимовый лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм. Если в случае применения эксимерного лазера роговица сильно поглощает, то при длине волны ~1 мкм линейное поглощение идет слабо. Однако за счет малой длительности импульса (400 фс) при фокусировке излучения реализуется высокая плотность мощности и, следовательно, становятся эффективными многофотонные процессы. При организации соответствующей фокусировки реально осуществить такой способ воздействия, при котором поверхность роговицы не затрагивается, а многофотонное поглощение идет в объеме роговицы. Таким образом, в качестве механизма воздействия выступает фотодеструкция тканей. При этом отсутствует термическое повреждение близлежащих слоев, и вмешательство можно осуществлять с прецизионной точностью.

ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ И ДИАГНОСТИКА

К интенсивно развивающимся в настоящее время методам относятся фотодинамическая диагностика и терапия рака. В их основу положено использование лазера, монохроматическое излучение которого возбуждает флуоресценцию красителя - фотосенсибилизатора (в данном случае фармацевтического препарата) и инициирует селективные фотохимические реакции, вызывающие биологические преобразования в тканях. Введенный в дозе 0,2 - 2 мг/кг фотосенсибилизатор накапливается преимущественно в опухоли, и его флуоресценция позволяет установить ее локализацию. За счет эффекта переноса энергии и увеличения мощности лазера происходит образование синглетного кислорода**, являющегося сильным окислителем, что приводит к разрушению новообразования. Словом, с помощью описанной методики можно осуществлять не только диагностику, но и лечение онкологических заболеваний.

Следует заметить, введение фотосенсибилизатора в организм - процедура не вполне безобидная для человека, поэтому в ряде случаев можно применять так называемую лазероиндуцированную аутофлуоресценцию. Оказалось, в некоторых случаях, в особенности с использованием коротковолнового лазерного излучения, здоровые клетки не флуоресцируют, тогда как раковые обнаруживают этот эффект. Данная методика предпочтительна, однако ее применяют в основном для диагностики, хотя в последнее время ученые предпринимают попытки реализовать и терапевтический эффект.

В нашем институте разработана серия приборов для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии. Ими снабжены ведущие лечебные уч-

* Эксимерный лазер - разновидность газового лазера (прим. ред.).

** Синглетный кислород - общее название для двух метастабильных состояний молекулярного кислорода (O₂) с более высокой энергией, чем в основном, триплетом состоянии (прим. ред.).

реждения столицы - Московская медицинская академия им. И. М. Сеченова, Российский онкологический научный центр им. Н. Н. Блохина, Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П. А. Герцена, а также ряд клиник Нижнего Новгорода, Саранска. В России и странах ближнего зарубежья реализовано более 30 диагностических и свыше 20 терапевтических систем, они востребованы в Германии, Японии, Израиле, Греции, Южной Корее, Польше.

Необходимым компонентом лазерной установки, предназначенной для эндоскопических и лапароскопических операций, являются средства доставки излучения и формирования его поля в области взаимодействия. В Институте общей физики созданы такие устройства на основе многомодовых оптических волокон, позволяющие работать в спектральной области 0,2 - 16 мкм.

При поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в институте совместно с другими организациями разрабатывают методику определения размеров наночастиц в жидкости и, в частности, в крови человека, с использованием спектроскопии квазиупругого рассеяния света. Оказывается, присутствие мелкомасштабных частиц приводит к уширению центрального пика рэлеевского рассеяния*. По измерению его величины можно определить их размеры. Изучение спектров наночастиц в сыворотке крови пациентов с сердечно-сосудистыми нарушениями показало присутствие белково-липидных кластеров больших размеров. Как было установлено, наличие таких частиц характерно и для онкологических больных. Более того, при положительном результате лечения компонента, указывающая на наличие кластеров, исчезала и снова появлялась в случае рецидива. Эта технология, несомненно, будет востребована в диагностике онкологических и сердечнососудистых заболеваний.

Несколько лет назад наш институт предложил новый метод обнаружения предельно низких концентраций органических соединений. Основные составляющие прибора - лазер, времяпролетный масс-спектрометр и наноструктурованная пластина для адсорбции исследуемого газа. В настоящее время эту установку модифицируют для анализа крови, и тогда ее можно будет использовать для ранней диагностики онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний.

Отметим, решение целого ряда медицинских проблем возможно только вкупе с фундаментальными исследованиями по лазерной физике, взаимодействию излучения с веществом, процессов переноса энергии, медико-биологическими изысканиями и разработкой медицинских технологий лечения.

В заключение хотелось бы подчеркнуть: одним из пионеров применения лазеров в медицине был основатель и первый директор Института общей физики (1982 - 2002 гг.) Александр Прохоров. Многие работы, о которых говорилось выше, начаты по его инициативе.

* Рэлеевское рассеяние - рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны (прим. ред.).