Введение

С момента первого применения (в 1999 г.) [1] технология эндовазальной лазерной облитерации (ЭВЛО) прошла большой путь эмпирических модификаций и усовершенствований, связанных в основном с развитием волоконной техники и внедрением в медицинскую практику новых лазерных генераторов [2]. В частности, большое развитие получили технологии, основанные на использовании лазерного излучения, которое эффективно поглощается водой (водопоглощаемые лазеры) [3—7].

С применением таких лазеров в практике флебологов проявились новые физические эффекты, которые ранее, при использовании гемоглобинпоглощаемых лазеров, встречались крайне редко либо вообще не были известны. Речь идет о хлопках, которые возникают всякий раз в начале проведения ЭВЛО и о которых врач предупреждает пациента, когда приступает к выполнению процедуры. Этих хлопков может быть несколько, но обычно первый из них является наиболее сильным.

Этот феномен в настоящее время остается без понимания, хотя, как будет показано ниже, его объяснение подтверждает предположение о том, что ведущую роль в механизме передачи тепла от лазерного нагревательного элемента к интиме и стенкам варикозно расширенной вены играет кипение крови, заполняющей просвет сосуда.

Цель настоящего исследования — объяснить происхождение хлопков, которые слышат пациенты и медперсонал при ЭВЛО, и показать, что при лазерном нагреве передача тепла от кончика оптоволокна, погруженного в кровь, к стенкам кровеносного сосуда осуществляется в режиме вынужденной конвекции — кипения крови с образованием затопленных струй.

Материал и методы

Процесс кипения крови в вене оценивали интраоперационно с использованием линейного датчика ультразвукового аппарата Samsung Medison Sonacer 3, работающего в диапазоне 7—12 МГц. Термооблитерацию проводили с применением диодного лазерного аппарата с длиной волны 1,47 мкм. Использовали световоды торцевого типа и световоды с радиальной эмиссией. Диаметр облитерированных вен до процедуры варьировал в пределах 6—21 мм.

В модельном физическом эксперименте использовали полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 1,94 мкм, а также кварц-кварц-полимерные волокна с диаметром 400 мкм по кварцу. Излучение с длиной волны 1,94 мкм очень сильно поглощается в воде — коэффициент поглощения ~130 см^–1 [8]. Эксперименты проводили в недеаэрированной воде при температуре 22°C в кювете размером 12,5×2,3×4,1 см с использованием скоростной видеокамеры FASTCAM SA3 со скоростью съемки до 10⁵ кадров в секунду (к/с). Исследовали теневую картину «на просвет».

Регистрацию широкополосных акустических сигналов, генерируемых при лазериндуцированном вскипании жидкости, проводили в бассейне размером 24×40×24 см, заполненном водой, в которую погружали рабочий конец лазерного волокна. На расстоянии ~1 см от торца перпендикулярно оптической оси лазерного волокна устанавливали широкополосный гидрофон 8103 (Brüel & Kjær, Дания) с полосой 0,1 Гц — 180 кГц (чувствительность 211 дБ отн. 1 В/мкПа) и игольчатый гидрофон (Precision Acoustics, Великобритания) диаметром 1 мм с предусилителем с шириной полосы 10 кГц — 50 МГц (чувствительность 241 дБ отн. 1 В/мкПа). Запись акустических сигналов с гидрофонов производили на четырехканальный цифровой запоминающий осциллограф GDS 72304 (GW Instek, Тайвань) с полосой пропускания 300 МГц. Энергию сигнала акустической эмиссии оценивали в предположении сферичности акустической волны. Акустические сигналы, возникающие при проведении процедуры ЭВЛО, регистрировали с применением видеокамеры, с помощью которой одновременно записывали изображение с монитора аппарата УЗИ. Для контроля мощности излучений использовали измеритель мощности Field Master с измерительной головкой LM-10HTD (Coherent, США). Все эксперименты проводили при комнатной температуре.

Результаты

На рис. 1 представлены фрагменты объемного вскипания недогретой до температуры насыщения недеаэрированной воды на торце расположенного горизонтально в открытой кювете лазерного оптоволокна торцевого типа. Показан парогазовый пузырек в период достижения максимального размера и его последующего схлопывания.

Рис. 1. Схлопывание парогазового пузырька при объемном вскипании недогретой недеаэрированной воды под действием непрерывного лазерного излучения с длиной волны 1,94 мкм и мощностью 1,3 Вт, проходящего по оптоволокну с диаметром 400 мкм по кварцу.

Скорость съемки 10 000 к/с, длительность кадра 10 мкс. Оптоволокно расположено в кювете горизонтально. Описание в тексте.

Излучение с длиной волны 1,94 мкм и мощностью 1,3 Вт свободно проходило через торец оптоволокна и поглощалось в небольшом объеме жидкости, примыкающем к торцу. Съемку процесса кипения проводили со скоростью 10 000 к/с и длительностью кадра (экспозиции) 10 мкс. В процессе схлопывания через 10⁻⁴ с от момента достижения максимального размера пузырек разделяется перемычкой в виде песочных часов (кадр 2 на рис. 1). Перемычка образуется в результате радиального движения воды, которая движется с ускорением во встречном направлении. В момент замыкания перемычки происходит лобовое столкновение радиальных потоков воды с образованием двух аксиальных струй, направленных вдоль оси симметрии волокна. Одна струя движется от торца, другая — в противоположном направлении, к торцу оптоволокна (кадры 3—9 на рис. 1). В кадре 2 на рис. 1 зафиксирован момент замыкания перемычки. Струя определяется как область движущейся от торца оптоволокна жидкости с измененным коэффициентом преломления в сравнении с водой, имеющей комнатную температуру (22°C). Индикаторами затопленной струи также являются пузырьки несконденсированного газа, которые движутся в потоке жидкости.

Нагрев воды происходит в результате поглощения лазерного излучения и конденсации пара в период схлопывания пузырьков, поэтому нагретая вода располагается непосредственно на границе контактного разрыва (см. рис. 1). На кадрах 3—9 отчетливо видно движение струй, движущихся в противоположном направлении: та, что уходит от торца оптоволокна, образует затопленную струю, другая бьет в торец, в результате чего растекается по его поверхности в радиальном направлении. Движение фронта нагретой жидкости и микропузырьков неконденсируемого газа, остающегося в воде после схлопывания парогазового пузыря, позволяет определить скорость затопленных струй. Скорость максимальна в момент схлопывания пузырьков и экспоненциально уменьшается с расстоянием. На расстоянии 0,72 мм от торца оптоволокна скорость затопленной струи, движущейся от торца, составляет 2,7±0,3 м/с, на расстоянии 0,96 мм — 0,8±0,1 м/с, на расстоянии 1,168 мм — 0,69±0,05 м/с (см. рис. 1). Скорость струи, движущейся в противоположном направлении, к моменту столкновения с поверхностью торца будет существенно выше, поскольку расстояние, на котором ее следует измерять, составляет порядка 0,1 мм. Если следовать экспоненциальному закону затухания скорости с расстоянием, ее скорость (υ) составит ~50±5 м/с, следовательно, гидродинамическое давление (P) жидкости на торец составит:

P = ρυ²/2 = 12,5 атм.

В момент схлопывания пузырьков возникает скачок давления (хлопок). На рис. 2 показаны фрагменты акустических сигналов, возникающих при схлопывании парогазового пузырька, соответствующих кадру 2 на рис. 1. Из данных рис. 2 следует, что на расстоянии 1 мм от торца волокна скачок давления достигает более 10 атмосфер. В дальнейшем давление в расходящейся волне быстро уменьшается пропорционально обратному квадрату расстояния от источника — торца оптоволокна.

Рис. 2. Фрагменты акустических сигналов, зарегистрированных игольчатым гидрофоном, для торца без покрытия при длине волны лазерного излучения 1,9 мкм в разных временных масштабах.

Давление пересчитано для расстояния 1 мм. Стрелками показан наиболее мощный импульс давления.

На рис. 3 представлен момент образования струи при схлопывании пузырька, вызванного объемным вскипанием крови в вене пациента во время проведения процедуры ЭВЛО. Использовали лазерное излучение с длиной волны 1,47 мкм и волокно с радиальной насадкой, поэтому струи (см. 2 на рис. 3а) начинают свое движение в направлении, перпендикулярном направлению оптоволокна (см. 1 на рис. 3а). В дальнейшем затопленные струи разогретой крови сталкиваются с венозной стенкой и начинают двигаться вдоль интимы вены, передавая ей свое тепло. На рис. 3 показана проекция, в которой видны струи, идущие вверх и вниз, при столкновении с венозной стенкой они движутся вдоль интимы в направлении, противоположном направлению движения оптоволокна. Вблизи волокна скорость струй разогретой крови достигает 0,7—1,0 м/с, на расстоянии от торца 5 мм — 0,3—0,5 м/с, на удалении 10 мм — всего 0,1—0,05 м/с, и на расстоянии ~25 мм движение крови полностью останавливается.

Рис. 3. Ультразвуковое изображение момента возникновения затопленной двухфазной струи крови с пузырьками воздуха, возникающей сразу после схлопывания парогазового пузырька (а), и акустический сигнал, образующийся при схлопывании пузырька в вене пациента в разных временных масштабах (б, в).

Использован диодный лазер с длиной волны 1,47 мкм и мощностью излучения 7 Вт. 1 — радиальное волокно; 2 — затопленные двухфазные струи разогретой крови с пузырьками. Описание в тексте.

На рис. 3в изображен акустический сигнал, возникающий при схлопывании парогазового пузырька. Прежде чем возникает струйный поток разогретой крови, происходит скачок давления с последующими затухающими осцилляциями в течение порядка 200 мс. В более подробной записи в области максимальных давлений скачок давления представляет собой цуг из нескольких колебаний с характерным периодом около 2 мс.

Обсуждение

В настоящей работе исследовали лазериндуцированное вскипание недеаэрированной воды в модельном эксперименте и кипение крови непосредственно в сосудах пациента при проведении процедуры ЭВЛО варикозно расширенных вен.

В методе ЭВЛО лазерный аппарат выполняет функцию нагревательного прибора, в котором дистальный кварцевый кончик оптоволокна осуществляет функцию нагревательного элемента. Оптоволокно вводят в просвет сосуда, где оно соприкасается с кровью. По оптоволокну распространяется лазерное излучение, которое при выходе преобразуется в тепло и нагревает кровь. Кровь — дисперсный водный раствор белков, полисахаридов и других веществ, в котором 85% составляет вода, — жидкость с большой теплоемкостью, что позволяет ей очень эффективно передавать тепло на стенки патологически измененного сосуда посредством конвекции.

Важно отметить, что преобразовать излучение в тепло с помощью оптоволокна можно двумя способами. В первом случае торец кварцевого кончика оптоволокна либо рабочую поверхность рабочей насадки предварительно покрывают слоем поглощающего излучение вещества, обычно аморфным углеродом (чернение оптоволокна) [9, 10]. В этом случае торец или рабочая поверхность насадки будут нагреваться и нагревать кровь, находящуюся с ними в контакте, независимо от длины волны лазерного излучения.

В литературе, посвященной ЭВЛО, обычно используют термин «карбонизация». Карбонизация, или оседание углерода на кончике оптоволокна, возникает в результате теплового распада СН-групп органических веществ, соприкасающихся с оптоволокном. Обычно карбонизация возникает при контакте лазерного оптоволокна с кровью. Тепло выделяется в результате поглощения лазерного излучения органическими веществами, например гемоглобином крови. Тепловое разрушение СН-связей (пиролиз) приводит к выделению водорода и углерода, который вызывает карбонизацию, или чернит торец оптоволокна [7]. В некоторых медицинских лазерных технологиях необходимо предварительно зачернить, или карбонизировать, торец оптоволокна, поскольку при включении лазерного излучения такой торец немедленно превращается в сосредоточенный тепловой источник [11]. При проведении физических экспериментов по моделированию ЭВЛО с карбонизацией удобно использовать оптоволокна, рабочий кончик которых предварительно зачернен.

Во втором случае чернение не производят, а подбирают излучение с длиной волны, которая эффективно поглощается в крови. В обоих случаях кровь будет нагреваться вблизи торца и при достижении соответствующей температуры закипит.

Диаметр кварцевой жилы оптоволокна, которое чаще всего используется в хирургии, обычно составляет всего 100—600 мкм, поэтому интенсивность лазерного излучения, а следовательно, интенсивность теплового потока, в которое это излучение преобразуется, будет очень высоким даже при низких значениях мощности лазерного излучения. Такие источники тепла в теплофизике называют сосредоточенными источниками. Особенность их состоит в том, что они позволяют инициировать устойчивое кипение жидкости локально, в ближайшей окрестности теплового источника, в то время как вся остальная окружающая жидкость может иметь температуру существенно ниже температуры кипения.

Кипение — это процесс с образованием пузырьков. Эти паровые или парогазовые пузырьки при нагреве растут, но в какой-то момент граница пузырьков соприкасается с холодным окружением и пар начинает конденсироваться. В этот период рост пузырьков прекращается и начинается обратное движение, пузырьки схлопываются. Подобное локально ограниченное кипение, в котором пузырьки нарастают и затем быстро схлопываются, называют кипением с недогревом [12].

В теплофизике различают три вида кипения: объемное (гомогенное), поверхностное (пузырьковое, гетерогенное) и пленочное [12]. Фундаментальные различия содержатся в первых двух, тогда как пленочное, его еще называют первым кризисом кипения, фактически является неким предельным вариантом поверхностного кипения.

Объемное вскипание можно инициировать при использовании водопоглощаемых лазеров, когда рабочий кончик лазерного оптоволокна погружен в воду. Лазерное излучение выходит из оптоволокна и поглощается в некоем объеме перед торцом, который определяется коэффициентом поглощения излучения в воде и нагревает этот объем воды. В какой-то момент данный объем нагреется до температуры, при которой вся нагретая жидкость взрывным образом преобразуется в пар. За очень короткое время образуется паровой пузырек, объем которого вследствие того, что плотность пара в 1000 раз меньше плотности воды, будет в 1000 раз больше объема воды, из которого он сформировался. Если кипение осуществляется с недогревом, возникший пузырек очень быстро и глубоко зайдет в область окружающей холодной жидкости, что приведет к конденсации пара и быстрому схлопыванию относительно крупного пузырька.

При поверхностном кипении пузырьки нарастают иначе. Вблизи нагретой поверхности, как это имеет место близи зачерненного, или карбонизированного, торца оптоволокна, нагретая до температуры насыщения (кипения) жидкость (100°C при нормальном атмосферном давлении) начинает интенсивно испаряться в мелкие пузырьки, которые там всегда изначально находятся (зародыши). Эти зародыши начинают расти, как бы «надуваясь» паром. Этот процесс относительно объемного вскипания является значительно более медленным, при нем образуются сравнительно мелкие пузырьки, которые значительно медленнее схлопываются.

Схлопывание, или коллапс, парового пузырька вблизи торца оптоволокна, приводит, как недавно было установлено, к генерации затопленных струй жидкости в направлении от торца оптоволокна [13]. Скорость этих струй различна и зависит от вида кипения (объемное или поверхностное), недогрева окружающей жидкости — разницы температуры кипения (насыщения) и температуры окружающей жидкости, диаметра волокна, мощности излучения и других параметров системы и может изменяться в диапазоне от нескольких сотен метров до нескольких сантиметров в секунду [13, 14]. Струи, имеющие большую скорость, способны разрушать ткань [15], тогда как относительно медленные струи эффективно переносят тепло через окружающую относительно холодную жидкость.

Кипение крови в вене, инициированное в окрестности дистального кончика оптоволокна, погруженного в кровь, будет не догретым до температуры насыщения, поскольку температура крови в вене равна физиологической температуре 37°C (степень недогрева ΔТ = 100°C – 37°C = 63°C). Это означает, что растущие вблизи торца оптоволокна пузырьки пара при соприкосновении с недогретой окружающей кровью будут быстро схлопываться. Если коллапс достаточно быстрый, возникнет импульс давления (хлопок), который хорошо слышен и врачу, и пациенту при проведении процедуры ЭВЛО. Обычно это происходит при использовании водопоглощаемых лазеров [11].

Хлопки, или импульсы давления, возникают в момент, когда движущаяся за стенками пузырька жидкость сталкивается. Чтобы такое столкновение произошло, необходимо, чтобы в процессе коллапса пузырек утратил сферическую форму. В этом случае радиальные относительно аксиальной оси симметрии пузырька потоки жидкости сталкиваются и преобразуются в аксиальные кумулятивные струи, распространяющиеся в противоположных направлениях [13, 14].

Таким образом, момент хлопка — это момент возникновения струй, распространяющихся как к торцу, так и от торца оптоволокна. Поскольку температура кипения крови, на 85% состоящей из воды, при нормальном атмосферном давлении равна температуре кипения воды, то в затопленных струях, возникающих в окрестности кончика оптоволокна и распространяющихся сквозь окружающую недогретую жидкость, температура крови в начальные моменты времени будет близка к 100°C.

С помощью скоростной съемки было установлено, что при нагреве воды через оптоволокно непрерывным лазерным излучением с длиной волны 1,94 мкм вблизи торца волокна периодически возникают и схлопываются парогазовые пузырьки миллиметровых размеров. Известно, что образование таких пузырьков связано с объемным вскипанием воды, разогретой до температуры, существенно превышающей температуру насыщения (100°C) [11]. При коллапсе пузырек теряет сферичность, что приводит к развитию радиальных встречных потоков жидкости относительно аксиальной оси симметрии пузырька. При столкновении радиальные потоки трансформируются в аксиальные струи, движущиеся в противоположных направлениях вдоль аксиальной оси: к источнику и от источника тепла [13, 14]. На рис. 1 эти струи направлены как от торца оптоволокна, так и к торцу. Скорость этих струй достигает больших значений: для струи, движущейся от торца оптоволокна на расстоянии 0,72 мм от торца оптоволокна, она составляет 2,7±0,3 м/с, на расстоянии 0,96 мм — 0,8±0,1 м/с, на расстоянии 1,168 мм — 0,69±0,05 м/с.

Таким образом, в венах генерируемые струи могут с большой скоростью переносить тепло к интиме, что приведет к быстрой коагуляции интимы и венозных стенок не только в основном стволе, но в притоках и перфорантах [9].

Скорость струи, движущейся в противоположном направлении, к моменту столкновения с поверхностью торца будет существенно выше, поскольку расстояние, на котором ее следует измерять, составляет порядка 0,1 мм. Если следовать экспоненциальному закону затухания скорости с расстоянием, ее скорость (υ) составит ~50±5 м/с, следовательно, гидродинамическое давление (P) жидкости на торец составит:

P = ρυ²/2 = 12,5 атм.

При таком давлении струя воды будет эффективно очищать рабочую поверхность оптоволокна от осажденных частиц, в частности от покрытия продуктами температурного разложения органики — нагара, когда волокно контактирует с кровью. Столь высокое давление способно не только очистить поверхность торца, но и привести к его микроразрушению (кавитационной эрозии) [16, 17]. Вероятно, именно по этой причине во время проведения процедуры ЭВЛО рабочая поверхность торцевых и радиальных световодов при работе с излучением, которое эффективно поглощается в воде (водопоглощаемые лазеры), крайне редко покрывается нагаром. Следует отметить, что в технических приложениях кумулятивные струйки, инициированные при схлопывании пузырьков (акустическая кавитация), широко используются для очистки поверхностей [16]. Идея использования пузырьков, генерируемых лазерным излучением, при селективной очистке поверхностей опубликована [17].

При кипении крови в венах скорость струйных потоков несколько меньше и зависит от типа волокна и мощности лазерного излучения. Вблизи кончика оптоволокна радиального типа при мощности излучения 7 Вт она может достигать 0,7—1 м/с, на расстоянии от торца 5 мм — 0,3—0,5 м/с, на удалении 10 мм — всего 0,1—0,05 м/с и на расстоянии ~25 мм движение крови полностью останавливается. В этом случае генерируемые струи распространяются перпендикулярно оси оптоволокна и сталкиваются с венозными стенками, где их скорость резко уменьшается. Тем не менее при движении вдоль венозных стенок средняя скорость потока разогретой крови, тепло которой передается интиме, на участке вены длиной 25 мм достигает 0,08 м/с. Поскольку температура крови в потоке близка к температуре кипения воды (100°C), нетрудно подсчитать, что венозная стенка за 1 с на расстоянии ~8 мм прогреется до этой температуры на толщину:

,

где а — коэффициент температуропроводности воды (водонасышенных тканей) ~1,4·10⁻⁷ м²/с; t — время.

Эта оценка предполагает, что на расстоянии 8 мм температура затопленной струи за 1 с существенно не изменится. С учетом тракции волокна со скоростью ~1 мм/с можно утверждать, что в таком режиме венозная стенка будет полностью прогрета на всю толщину (1 мм) до температуры необратимой денатурации в полном объеме всех входящих в ее состав белков.

Вскипание воды и крови сопровождается генерацией короткого акустического импульса, в котором давление на расстоянии 1 мм от источника может достигать 10 атмосфер (рис. 2, 3). Таких импульсов различной интенсивности может быть несколько. Последующее затухание этих импульсов по мере проведения процедуры ЭВЛО связано с общим разогревом теплоносителя — крови и, следовательно, уменьшением степени недогрева при кипении. При уменьшении недогрева, связанного с гидродинамическим возмущением и нагревом окружающей среды струей, генерируемой в первичном акте вскипания, пузырьки растут до меньших размеров. Их потенциальная энергия (E_B) рассчитывается по формуле:

_,

где p₀ — давление окружающей жидкости (1 атмосфера), R_max — максимальный радиус пузырька.

Таким образом, потенциальная энергия значительно уменьшается. В жидкости перед торцом появляется множество микрогазовых пузырьков, являющихся центрами гетерогенного кипения. Поэтому последующее вскипание становится преимущественно пузырьковым, а не объемным, что уменьшает скорость генерируемых струй, а также интенсивность акустических сигналов — хлопков. Вспенивание крови также является причиной затухания акустических сигналов, распространяющихся с ударными волнами.

При схлопывании пузырька, возникшего в режиме объемного вскипания, обычно образуются ударные волны, которые на небольшом расстоянии от источника могут разрушить биологическую ткань. Такого типа воздействие используется при лазерном разрушении мочевых камней, находящихся в водной среде.

При выполнении ЭВЛО с использованием излучения, которое слабо поглощается водой, нагрев и вскипание крови возникают по причине разогрева тонкого слоя поглощающего излучение вещества, покрывающего рабочую поверхность оптоволокна (чернение оптоволокна). В таком случае кипение крови будет поверхностным, или пузырьковым. При поверхностном кипении рост и коллапс пузырьков на поверхности нагревательного элемента происходят со значительно меньшей скоростью, чем при объемном вскипании [12—14, 18]. Соответственно, и струи менее мощные [13, 14, 18]. Вероятно, поэтому привычные для водопоглощаемых лазеров хлопки в данном случае крайне редки либо вообще не возникают.

Заключение

При ЭВЛО кровь закипает вблизи торца оптоволокна в режиме, при котором генерируются затопленные струйные потоки разогретой крови, направленные от тепловыделяющей поверхности к венозным стенкам. Струи с большой скоростью переносят тепло к интиме, что приводит к быстрой коагуляции интимы и венозных стенок не только в основном стволе, но и в притоках и перфорантах. Затопленные струи образуются вблизи рабочего кончика оптоволокна в результате коллапса парового пузырька на его торце. Коллапс паровых пузырьков сопровождается скачком давления, который приводит к ударным волнам и акустическому сигналу.

Работа выполнена при частичной поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ИПМ ДВО РАН в части гидродинамики; Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части экспериментальных исследований; Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ТОИ ДВО №АААА-А20-120031890011-8 в части акустики.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — И.А. Абушкин, М.А. Гузев, Чудновский В.М.

Сбор и обработка материала — Д.Н. Моренко, В.И. Юсупов, И.А. Абушкин, Ю.П. Пахалюк, М.А. Гузев

Написание текста — В.М. Чудновский

Редактирование — В.И. Юсупов, И.А. Абушкин, Ю.П. Пахалюк, М.А. Гузев

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.