Сайт издательства «Медиа Сфера»
содержит материалы, предназначенные исключительно для работников здравоохранения. Закрывая это сообщение, Вы подтверждаете, что являетесь дипломированным медицинским работником или студентом медицинского образовательного учреждения.

Чудновский В.М.

ФГБУН «Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева» ДВО РАН, Владивосток, Россия

Маховская Т.Г.

ФГБУ ДПО «Центральная государственная медицинская академия» Управления делами Президента Российской Федерации, Москва, Россия

Майор А.Ю.

ФГБУН «Институт автоматизации и процессов управления» ДВО РАН, Владивосток, Россия

Юсупов В.И.

Институт фотонных технологий ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Москва, Троицк, Россия

Невожай В.И.

ГОУ ВПО «Тихоокеанский медицинский университет», Владивосток, Россия

Киселев А.Ю.

Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия

Шикина И.Б.

ФГБУ ДПО «Центральная государственная медицинская академия» Управления делами Президента Российской Федерации, Москва, Россия

Вспенивание крови в механизме эндовазальной лазерной облитерации

Авторы:

Чудновский В.М., Маховская Т.Г., Майор А.Ю., Юсупов В.И., Невожай В.И., Киселев А.Ю., Шикина И.Б.

Подробнее об авторах

Журнал: Флебология. 2018;12(4): 261‑269

Просмотров: 1007

Загрузок: 8

Как цитировать:

Чудновский В.М., Маховская Т.Г., Майор А.Ю., Юсупов В.И., Невожай В.И., Киселев А.Ю., Шикина И.Б. Вспенивание крови в механизме эндовазальной лазерной облитерации. Флебология. 2018;12(4):261‑269.
Chudnovsky VM, Makhovskaya TG, Mayor AYu, Yusupov VI, Nevozhai VI, Kiselyov AYu, Shikina IB. The Role of Blood Foaming in the Mechanism of Endovasal Laser Ablation. Flebologiya. 2018;12(4):261‑269. (In Russ.).
https://doi.org/10.17116/flebo201812041261

?>

Среди современных хирургических методов лечения варикозной болезни эндовазальная лазерная облитерация (ЭВЛО) большой подкожной вены (БПВ) занимает ведущее положение, хотя является эмпирической технологией, универсальный физический механизм которой, адекватно описывающий процессы, происходящие в патологически измененной вене под действием лазерного излучения, до конца не установлен. С момента первого применения в 1999 г. было высказано множество предположений о физическом механизме ЭВЛО, основывающемся на процессах преобразования лазерного излучения в тепло и доставки этого тепла к стенке вены в зависимости от длины волны излучения, типов оптоволокна, а также способов его обработки [1—20]. Однако тепловое воздействие на интиму и, как следствие, воспаление вены являются лишь одним из факторов, вызывающих облитерацию патологически измененных вен. Необходимо также, чтобы после проведения процедуры в вене отсутствовал кровоток [21]. БПВ имеет притоки, и отнюдь не очевидно, что проведение эндовазального лазерного вмешательства должно привести к прекращению кровотока. Ответ на этот вопрос в литературе практически не обсуждается, хотя имеет первостепенное значение.

Цель исследования — экспериментальное обоснование механизма ЭВЛО, основанного на пенной окклюзии сосудистого русла и одномоментном прогреве венозных стенок при лазероиндуцированном кипении крови в просвете БПВ.

Материал и методы

Для исследования лазероиндуцированного вскипания жидкостей использовались лазеры с длиной волны 0,97 и 1,47 мкм, излучение которых проводилось по кварц-кварц-полимерному волокну диаметром 600 мкм. Излучение с длиной волны 0,97 мкм слабо поглощается водой с коэффициентом 0,47 см–1, тогда как излучение с длиной волны 1,47 мкм, напротив, очень сильно поглощается в воде с коэффициентом поглощения 26 см–1 [29]. Использовали два режима лазерного воздействия. В 1-м случае на торец лазерного волокна наносили поглощающее покрытие (чернение волокна) путем кратковременного (около 1 с) его контакта с деревянным бруском при мощности лазерного излучения ~3 Вт, что приводило к стабильному покрытию торца волокна слоем аморфного углерода. Во 2-м случае покрытия не наносили и лазерное излучение свободно выходило в объем жидкости. Поскольку биологические жидкости — это водные растворы, содержащие газ и поверхностно активные вещества (ПАВ), лазероиндуцированное (лазерное) кипение моделировали в недегазированном водном растворе ПАВ — натриевая соль стеариновой кислоты (мыльный раствор) с концентрацией ~0,1%. Отдельные эксперименты по лазерному кипению проводили, используя сыворотку крови человека. Жидкостями заполняли открытую кювету размером 24×40×24 мм3 и стеклянный капилляр длиной 300 мм с внутренним диаметром 3 мм, в которые погружали рабочий конец лазерного волокна. Эксперименты проводили при комнатной температуре 22 °C. В капилляр на расстояние 70 мм от одного из концов вводили дистальный участок кварц-кварц-полимерного оптоволокна, торец которого предварительно чернили. Проксимальный конец оптоволокна (световода) соединяли с источником лазерного излучения, работающим в непрерывном режиме. Для наблюдения кипения наполненную жидкостью кювету и капилляр устанавливали на рабочем столе микроскопа Olympus EX51 c видеокамерой Видеоскан 285-USB (экспозиция 8 мс, до 4 кадров в 1 с).

Для контроля мощности излучений использовали измеритель мощности Field Master с измерительной головкой LM-10HTD («Coherent»). Измерение мощности лазерного излучения, выходящего из оптоволокна с чернением и без него, показало, что в слое углерода на торце оптоволокна поглощается до 30% мощности генерируемого излучения, а 70% — выходит за пределы световода. Таким образом, в наших экспериментах при использовании оптоволокна с поглощающим покрытием только ~30% генерируемой энергии расходуется на нагрев торца оптоволокна.

Поскольку кровь оптически непрозрачна, кипение ее анализировали с использованием ультразвукового сканирования с линейным датчиком 7—12 МГц. Исследовали изображения, полученные при сканировании во время ЭВЛО с использованием «радиального» волокна. Лазероиндуцированные гидродинамические процессы в вене пациента регистрировали в режиме видеосъемки с экрана монитора, что позволяло синхронно с видеорядом записывать акустический шум, генерирующийся в вене во время вмешательства.

При представлении количественных результатов рассчитывали средние величины и стандартную ошибку среднего.

Результаты

На рис. 1 показано

Рис. 1. Гетерогенное недогретое кипение водного раствора ПАВ — натриевая соль стеариновой кислоты (мыльный раствор) с концентрацией ~0,1% на торце черненого световода при различных мощностях лазерного излучения. а — 2 Вт, б — 4 Вт, в — 5 Вт, г — 7 Вт (1 — оптоволокно, 2 — газовые микропузырьки. Вид сверху).
пузырьковое (гетерогенное) недогретое до температуры насыщения кипение водного недегазированного раствора ПАВ на торце лазерного оптоволокна, покрытого слоем углерода, в открытой кювете. В отличие от лазероиндуцированного гетерогенного кипения в недегазированной воде без ПАВ [24, 25] картина кипения существенно изменяется. Из поля зрения исчезают крупные парогазовые пузыри, которые схлопываются в воде с температурой ниже температуры насыщения (кипения) воды (100 °С при нормальном атмосферном давлении). На торце световода формируются потоки множества мелких газовых микропузырьков, размером 4—20 мкм, образуя затопленные струи, всплывающие к свободной поверхности жидкости на различных, зависящих от мощности лазерного излучения расстояниях от торца световода.

Струйный поток газовых микропузырьков, когда его скорость стремится к нулю в ограниченном пространстве, каковым является кровеносный сосуд (вена) либо кювета, преобразуется в пену. В этом состоянии пузырьки могут объединяться, образуя более крупные газовые пузыри. На рис. 2 показана

Рис. 2. Образование пены, состоящей из газовых микропузырьков при лазероиндуцированном кипении водного раствора ПАВ — натриевой соли стеариновой кислоты (мыльный раствор). На кадрах изображена эволюция пены, заполняющей весь просвет стеклянного капилляра с внутренним диаметром 3 мм сразу после выключения лазерного излучения (a), через 30 с (б), 10 мин (в) и 2 ч (г). Размер кадра 1,5×1,1 мм.
пена, образованная при лазероиндуцированном кипении водного раствора ПАВ ‒ натриевой соли стеариновой кислоты в стеклянном капилляре.

Процесс образования пены существенно изменяется при лазероиндуцированном кипении сыворотки крови (рис. 3).

Рис. 3. Гетерогенное лазероиндуцированное кипение сыворотки крови в окрестности торца оптоволокна. Двойная подсветка — снизу и через оптоволокно красным светом пилотного луча лазера. Время между кадрами 1,3 с. Размер кадра 2,92×2,2 мм (1 — микрогазовые пузырьки, 2 — область денатурированного белка, 3 — торец оптоволокна. Вид сверху).
В процесс вовлекаются белки, денатурированные вследствие нагрева сыворотки крови (в основном альбумин). В окрестности торца оптоволокна на фоне потока газовых микропузырьков появляется область денатурированных белков, в которую встроены газовые пузырьки. При этом пузырьки увеличиваются в размере (рис. 4).
Рис. 4. Фрагменты пены. а — газовые пузырьки, встроенные в тело денатурированных белков сыворотки крови; б — конгломерат газового пузырька диаметром 1,8 мм с денатурированными белками сыворотки крови (1 — газовые пузырьки, 2 — денатурированный белок. Вид сверху).
Подобное образование, сконструированное из конгломератов денатурированных белков с пузырьками, также формируют пену. По мере нагревания сыворотки крови и вследствие движения жидкости от нагревателя область, заполненная денатурированным белком с газовыми пузырьками, распространяется вдоль капилляра со скоростью ~3±1 мм/с. Таким образом капилляр заполняется конгломератами из денатурированных белков с пузырьками газа. Этот процесс можно интерпретировать как вспенивание денатурированного белка. В отличие от пены в водном растворе ПАВ (см. рис. 2) эта пена является очень устойчивым образованием, которое мы наблюдали в стеклянном капилляре более 10 ч.

Поскольку кровь оптически непрозрачна, ее кипение удобно исследовать с помощью ультразвуковых методов. Во время выполнения эндовазальных лазерных операций процессы, происходящие при кипении крови в вене пациента, отображаются на мониторе (рис. 5, 6).

Рис. 5. Изображения лазероиндуцированного кипения и вспенивания крови на мониторе УЗ-сканнера при выполнении ЭВЛО в БПВ. Использовались диодный лазер (Ceralas, «Biolitec») c длиной волны излучения 1,47 мкм и радиальное волокно. Скорость продвижения оптоволокна 1 мм/с, мощность излучения 7 Вт. а — кипение крови вблизи кончика оптоволокна и образование пены, заполняющей просвет БПВ (1 — лазерное оптоволокно, 2 — область кипения крови, 3 — пенная окклюзия сосуда); б — пузырьки распространяются в вене на расстояние до 24 мм от кончика оптоволокна и, когда прекращают движение, скапливаются, образуя пену (1 — лазерное оптоволокно, 2 — пена, заполняющая просвет БПВ, 3 — область входа притока БПВ, куда вследствие кипения крови зашли газовые пузырьки).
Рис. 6. Участки БПВ с притоками в момент воздействия на кровь излучения диодного лазера (Ceralas, «Biolitec») c длиной волны 1,47 мкм и мощностью 7 Вт. Радиальное волокно. Фрагмент видеосъемки с монитора УЗ-аппарата во время проведения УЗ-ассистированной ЭВЛО. а — участок вены с притоком БПВ; б — участок вены с двумя притоками (1 — волокно, 2 — газовые пузырьки в БПВ, 3 — пузырьки в притоке БПВ).
В БПВ отчетливо наблюдается кипение крови – образование пузырьков и интенсивное движение двухфазной жидкости вблизи торца оптоволокна, которое прослеживается на расстоянии вплоть до 24±2 мм. При продвижении оптоволокна по БПВ по ходу кровотока просвет БПВ заполняется пузырьками подобно тому, как просвет стеклянного капилляра заполняется конгломератами газовых пузырьков с денатурированными белками сыворотки крови.

После того как движение пузырьков прекращается, они скапливаются в пену, состоящую из конгломератов пузырьков и денатурированного белка. Это образование очень устойчиво и обнаруживается на УЗИ в течение более чем 24 ч. Пена препятствует кровотоку, вызывая окклюзию вены и притоков на всем ее протяжении, подверженном лазерному воздействию (см. рис. 6). В области кипения пузырьки, аналогично тому, как это показано на рис. 1, устремляются от торца световода вглубь вены с большой скоростью, которая зависит от расстояния до торца. Вблизи торца скорость двухфазных потоков (струи) достигает значений 50±5 мм/с и с расстоянием (2—4 мм) уменьшается до 20—30 мм/с и далее до 5±1 мм/с. Пузырьки распространяются в БПВ на расстояние до ~24±2 мм и вблизи волокна являются парогазовыми, а на удалении уже практически только газовыми, поскольку температура крови в этих отделах ниже температуры насыщения и пар конденсируется. Как видно на рис. 5 и 6, пена заполняет просвет БПВ на всем протяжении, подверженном действию лазерного излучения. При этом пузырьки заходят в притоки БПВ и перфоранты (см. рис. 6). На рис. 5, б и 6 показаны места входа притоков в БПВ. На УЗ-изображении определяется движение пузырьков, вглубь притоков и перфорантных вен.

Обсуждение

Универсальным механизмом доставки тепла от лазерного нагревателя к венозным стенкам может служить кипение крови [3—5]. Сообщалось об обнаружении пузырькового кипения крови на торце оптоволокна, размещенного в вене и моделирующей вену трубке. Авторы полагали, что теплопередача от нагревателя к венозным стенкам в процессе кипения осуществляется вследствие контакта пузырьков пара с интимой. Высказано также предположение, что механизм нагрева основан на прямой теплопередаче от пара к венозной стенке [3], а также на конденсации пара и выделении скрытой теплоты парообразования, как это имеет место в тепловой трубке [4, 5]. Однако эти предположения впоследствии были отвергнуты как физически несостоятельные [18]. Пар не является эффективным теплоносителем в сравнении с жидкостью, поскольку его плотность при нормальном атмосферном давлении на три порядка меньше плотности воды (в 5000 раз) [18, 22]. Вена при ЭВЛО является неэффективной «тепловой трубкой», поскольку при кипении крови генерируются не чисто паровые пузырьки, как полагали [5], а парогазовые, так как кровь насыщена воздухом. При конденсации таких пузырьков плотность потока скрытой теплоты резко уменьшается в сравнении с чисто паровыми, так как поток тепла распределяется по поверхности образующегося устойчивого газового пузырька, который остается после конденсации пара [22]. Отсюда следует, что разогрев венозной стенки в процессе кипения крови будет эффективным, только если к интиме доставлять не газовую, а разогретую до температуры кипения жидкую (плотную) фракцию крови, причем это необходимо делать со скоростью значительно большей скорости теплоотвода. Такой режим кипения хорошо известен теплофизикам — это сверхинтенсивное пузырьковое кипение (СПК), которое реализуется в недогретой до температуры кипения жидкости на источниках с высокой удельной плотностью теплового потока [23]. Физиологическая температура человеческого организма ~37 °С, что на 63 °C ниже температуры кипения (насыщения) воды, поэтому все биологические жидкости, в частности кровь, сильно недогреты до температуры насыщения. С другой стороны, небольшая площадь рабочего торца оптоволокна позволяет сконцентрировать на его поверхности очень большую плотность тепловой энергии. Таким образом, в жидкости, даже при низких значениях мощности лазерного излучения, составляющего единицы ватт на торце волокон лазерных нагревателей, режим СПК успешно реализуется [24]. В таком режиме гетерогенное (пузырьковое) кипение крови, как и всякой биологической жидкости – водного раствора с температурой насыщения ~100 ºС, обеспечивает быстрый перенос теплоносителя (жидкой разогретой крови) к венозным стенкам [25, 26], что в итоге разогревает стенки на всю толщину до температуры необратимой денатурации коллагена [19, 26]. Если использовать излучение, которое эффективно поглощается водой (λ 1,47, 1,56 и 1,9 мкм), а торец оптоволокна не чернить, то излучение будет свободно выходить в объем жидкости, что может привести к гомогенному вскипанию крови в вене. Гомогенное кипение — это объемное кипение, которое развивается в сильно перегретом относительно температуры насыщения объеме жидкости и приводит к взрывному росту парового пузырька при переходе всего объема жидкости в пар [22]. При таком кипении в недогретой до температуры насыщения жидкости пузырек взрывным образом растет, а затем схлопывается с генерацией импульса высокого давления (термокавитация) [27]. В вене при проведении процедуры ЭВЛО такие скачки давления воспринимаются как достаточно сильные хлопки, особенно в первые несколько секунд процедуры, о чем врачи, как правило, предупреждают пациентов. При схлопывании парового пузырька на рабочей поверхности оптоволокна оседают пигменты крови (поглощающий слой) и кипение переходит в гетерогенный режим, что препятствует возникновению паровых взрывов [25]. Вопросы доставки тепла к венозным стенкам и разогрев венозных стенок при «лазерном» нагреве биологических жидкостей в режиме СПК рассмотрен ранее [25].

Все биологические жидкости, в частности кровь, насыщены растворенным газом (воздухом), в основном это гидрофобный азот и кислород, и содержат в своем составе ПАВ – органические вещества, содержащие гидрофильные группы, например полисахариды. Поэтому вскипание (фазовый переход первого рода) крови при нагреве будет характеризоваться появлением парогазовых пузырьков, которые в недогретой среде вследствие конденсации пара превращаются в чисто газовые, очень устойчивые пузырьки с жидкой мембраной, содержащей высокомолекулярные и поверхностно-активные вещества. В большом количестве такие пузырьки образуют пену — суспензию пузырьков газа, отделенных друг от друга тонкой жидкой пленкой (вспенивание крови), — устойчивое во времени образование. Вспенивание крови автоматически приводит к окклюзии просвета сосуда, остановке кровотока, как это имеет место в технологии пенной склеротерапии сосудов [28]. В этом случае кипение крови обеспечивает выполнение сразу двух условий облитерации вены и ее последующего фиброза — разогрев (воспаление) интимы и остановку кровотока на всем протяжении лазерного воздействия. Пена, возникающая при кипении крови, будет заполнять также просвет подводящих вен (притоков) и перфорантов, что автоматически обеспечивает прекращение тока крови в сосуде.

В своей работе мы исследовали лазероиндуцированное пузырьковое гетерогенное кипение недегазированного водного раствора ПАВ, сыворотки крови, содержащей, помимо ПАВ, различные белки, а также крови в вене пациента при проведении ЭВЛО БПВ.

Нами показано, что кипение водных растворов ПАВ отличается тем, что на торце оптоволокна сразу формируются потоки газовых микропузырьков, скорость и размеры потоков зависят от мощности лазерного излучения (см. рис. 1). В этом случае камера не фиксирует крупных парогазовых пузырьков, нарастающих и схлопывающихся, как это имеет место при лазероиндуцированном кипении в недогретой недегазированной воде без ПАВ [24, 25]. Потоки газовых микропузырьков наблюдаются и в сыворотке крови, и в вене пациента при проведении эндовазального лазерного лечения варикозной болезни. При остановке движения микропузырьки образуют пену (см. рис. 2), которая в модельном водном растворе натриевой соли стеариновой кислоты (мыльный раствор) неустойчива и буквально за несколько минут распадается. Однако в водном растворе ПАВ и белков, как это имеет место в сыворотке крови, картина кипения существенно усложняется. Одновременно с генерацией газовых микропузырьков по причине нагрева жидкости вблизи торца оптоволокна начинается денатурация белков сыворотки, что приводит к образованию конгломератов денатурированного белка и газовых пузырьков (см. рис. 3, 4). Поскольку гидрофильность денатурированных белков резко снижается, поверхностное натяжение оболочки контактирующих с ними пузырьков возрастает и пузырьки могут достигать больших размеров. Они либо объединяются, либо непосредственно нарастают на торце оптоволокна в денатурированном белке. Совокупность образованных таким образом конгломератов движется в потоке сыворотки крови и, когда движение останавливается, скапливается, формируя пену, которая в отличие от пены газовых микропузырьков в мыльном растворе очень устойчива. В стеклянном капилляре мы наблюдали ее более 10 ч.

Мы предполагаем, что процессы в стеклянном капилляре и вене аналогичны и в просвете кровеносного сосуда образуется пена из газовых пузырьков с денатурированными белками плазмы крови, а также денатурированными белками форменных элементов крови [30]. Данная аналогия подтверждается не только фактом инициации двухфазного потока жидкости от торца оптоволокна, но также образованием «пенной» окклюзии на всем протяжении БПВ, подвергнутой лазерному воздействию (см. рис. 5, 6).

При лазероиндуцированном кипении крови, которое возникает в процессе эндовазальной манипуляции, пена, возникшая в просвете сосуда, вызовет окклюзию вены и приведет к остановке кровотока — гемостазу (см. рис. 5, 6). Струйное кипение крови и связанное с ним движение пузырьков на расстоянии до 24±2 мм по сосуду приводит к тому, что окклюзирующие массы — конгломерат пузырьков и денатурированных белков — проникают в притоки и перфоранты (см. рис. 6).

Ранее было показано, что лазероиндуцированное гетерогенное кипение крови в венах при умеренных мощностях лазерного излучения (5—7 Вт) и скорости тракции зачерненного оптоволокна торцевого типа ~1 мм/с приводит к температурной модификации и необратимой денатурации коллагена во всей толще венозных стенок [26]. Аналогичный режим лазерного воздействия одномоментно вызывает вспенивание крови, приводя к устойчивому прекращению кровотока в БПВ, а также в перфорантах и в притоках. Таким образом, при лазероиндуцированном кипении крови в БПВ одновременно реализуются два взаимно дополняющих друг друга процесса (необходимое и достаточное условие) — прогрев венозной стенки и прекращение кровотока.

В работе кипение жидкостей инициировали лазерами, генерирующими излучение в различных диапазонах длин волн: 0,97 и 1,47 мкм и с использованием волокон, имеющих различную форму, приводящую к различным диаграммам высвечивания — одно «торцевое», другое «радиальное». Лазеры выполняли функцию нагревательных приборов, в которых нагревательным элементом или тепловым источником было оптоволокно. Излучение с длиной волны 0,97 мкм очень слабо поглощается водой, поэтому, чтобы оптоволокно стало нагревательным элементом, его торец либо «радиальную» насадку необходимо зачернить. Излучение с длиной волны 1,47 мкм, напротив, очень сильно поглощается водой, поэтому, чтобы вызвать кипение водного раствора, в специальных покрытиях нет необходимости. Как и следовало ожидать, исследуемые жидкости вскипали независимо от вида «нагревательного прибора» и типа «нагревательного элемента».

Следует отметить, что гетерогенное кипение ограничено «сверху» первым кризисом кипения — пленочным кипением, поэтому в целях практического применения важно использовать лазеры умеренной мощности (1—10 Вт). В крови кризис кипения обнаруживается уже при мощности излучения 10±3 Вт, когда на нагрев расходуется 30% лазерного излучения.

Заключение

Лазероиндуцированная гидродинамика в модели, связанной с кипением крови, приводит к вспениванию крови, окклюзии просвета кровеносных сосудов и прекращению кровотока в БПВ. Одномоментно кипение крови обеспечивает разогрев венозных стенок. Таким образом, весьма вероятно, что лазероиндуцированное кипение крови создает необходимые и достаточные условия для успешного проведения эндовазальной лазерной облитерации ‒ одномоментный разогрев венозных стенок и прекращение кровотока в сосудах.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ (грант № 18−02−00165) и госбюджетных тем № 0271−2018−0006; № 0271−2018−0001.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — М.В., Н.В., М.Т., Ш. И., К.Ю.

Сбор и обработка материала — М.Ю., Ч.В.

Статистическая обработка — Ю.В.

Написание текста — Ч.В., Н.В.

Редактирование — К.А., Ч.В.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

*e-mail: vm53@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-2000-4810

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail