Лазерные медицинские технологии отличаются малой инвазивностью, низкой системной токсичностью, отсутствием генотоксичности, избирательностью воздействия на патологический очаг, а также возможностью многократного повторения курсов [1]. Современные технологии в медицине немыслимы без применения лазерных технологий. Стремительное развитие медицинской робототехники в последние годы, в том числе развитие малоинвазивной робот-ассистированной хирургии, открывает новые возможности для совмещения использования лазерной техники в роботизированной медицине [2].

Роботизированная медицинская техника уже успешно применяется в различных областях медицины при проведении тонких хирургических вмешательств в урологии, гинекологии, абдоминальной хирургии [3].

Мышцы, сосуды и нервы челюстно-лицевой области являются тончайшими анатомическими структурами, что обусловливает сложность хирургических вмешательств и требует точности манипуляций врача хирурга [4]. Патология слизистой оболочки полости рта тесно связана с заболеваниями желудочно-кишечного тракта. Зачастую распознать заболевание по клиническим признакам очень проблематично [5]. Терапия таких заболеваний отличается сложностью и длительностью. В таких случаях врачу-стоматологу помог бы справиться с задачами диагностики и лечения роботический комплекс с искусственным интеллектом на основе лазерных технологий.

Разработка и конструирование лазерного модуля с уникальными характеристиками лазерного излучения и возможностью применения лазерной диагностики с использованием низкоинтенсивного излучения и лечения с применением хирургических длин волн с возможностью интеграции в роботическую хирургическую установку для малоинвазивной хирургии патологии органов головы и шеи является начальным этапом создания такого комплекса.

Важным свойством лазерного излучения является воздействие на кислород с помощью фотохимических реакций. Такие реакции возникают при воздействии лазерным излучением с длиной волны, близкой к максимумам поглощения кислорода в тканях, — 668, 762, 1067, 1268 нм. Максимальное поглощение кислорода в биохимических средах доказано с длиной волны 1270±5 нм [6]. Ультракороткие импульсы способствуют проникать световому потоку глубже без существенного нагрева, создавать суммирование световых фотонов, что в свою очередь может способствовать насыщению активными формами кислорода сред, на которые воздействует лазерное излучение [7].

На сегодняшнем этапе развития медицинской лазерной техники создается все больше лазерных излучателей способных генерировать ультракороткие волны. Однако практические все они имеют достаточно габаритные размеры, высокую цену и иностранного производителя [8]. Нашей исследовательской группой кафедры хирургии полости рта МГМСУ им. А.И. Евдокимова проведена разработка прототипа лазерного модуля для внедрения в робототехническую установку с заданными параметрами.

Испытание фотохимических свойств нового наносекундного лазерного модуля на модельных биохимических средах, изучение его в сравнении с существующими приборами необходимо для внедрения его в клиническую практику.

Цель работы — сравнительная оценка эффективности генерации синглетного кислорода (СК) в модельных биохимических средах лазерным излучением с длиной волны, близкой к максимуму поглощения кислорода в непрерывном и импульсном наносекундном режимах.

В работе использовался наносекундный лазерный аппарат для медицинского применения, разработанный для встраивания в медицинский робототехнический многофункциональный лазерный комплекс, с сенсорным дисплеем управления на полупроводниковых кристаллах, имеющий основной инфракрасный (ИК) излучатель с длиной волны, примерно соответствующей максимуму поглощения кислорода (1256—1264 нм). Лазерный модуль имеет возможность работы как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В импульсном режиме генерируются импульсные сигналы продолжительностью 400 нс и частотой следования импульсов 500 кГц. Излучение фокусировалось в оптическом световоде диаметром 500 мкм. Мощность излучения устанавливалась в пределах 0,75±0,06 Вт. Сравнительную оценку проводили для двух режимов работы лазера — импульсного наносекундного и непрерывного. Работу с двумя режимами проводили в одинаковых условиях.

Для оценки эффективности генерации СК лазерным излучением были использованы модельные системы, представляющие собой насыщенные воздухом растворы 1,3-дифенилизобензофурана (ДФИБФ) в различных средах — ацетоне, этаноле, воде с детергентом. ДФБИФ является активной химической ловушкой С.К. При реакции с возбужденными молекулами кислорода происходит окисление этого соединения. Так как продукты взаимодействия ДФИБФ с СК не поглощают в видимой области спектра, его отслеживали спектрофотометрическим методом по убыванию оптической плотности при 414 нм (максимум полосы поглощения ловушки). Для проведения экспериментов и измерений использовали кварцевые флюоресцентные кюветы. Концентрация ДФИБФ в растворах подбиралась так, чтобы оптическая плотность в максимуме поглощения входила в интервал от 0,9 до 1,1. Головку световода размещали вплотную к кювете с раствором ловушки. Продолжительность сеанса облучения пробы была такой, чтобы эффект выцветания ДФИБФ был достоверно измеримым. Для измерения этой величины использовался однолучевой спектрофотометр СФ-56. Оптическую плотность растворов (при 414 нм) измеряли до и после облучения. Обычно падение оптической плотности ловушки за время облучения не превышало 0,2. Скорость выцветания ДФИБФ определяли как отношение изменения оптической плотности за сеанс облучения к продолжительности этого сеанса в минутах.

В первой серии фотохимических экспериментов в качестве растворителя использовали ацетон, который характеризуется достаточно большим временем жизни СК (51 мкс), и поэтому эффект убывания оптической плотности ДФИБФ при реакции с СК легко измерим. В этих экспериментах использовали квадратные кюветы с длиной оптического пути 1 см, при этом объем проб в них составлял 1,5 мл.

Во второй серии экспериментов использовали среду, содержащую этанол. В спиртовых средах время жизни СК существенно меньше, чем в ацетоне (13,5 мк), из-за чего для накопления достаточного эффекта выцветания химической ловушки требуется более длительное облучение проб.

Чтобы оптимизировать условия экспериментов и сократить время сеанса, вместо стандартных 1 см кювет в последующих экспериментах использовали кюветы вдвое меньшего размера 5×10 мм. Кювету ставили узкой гранью к световоду лазера при облучении и к зондирующему лучу спектрофотометра при измерении оптической плотности. В этом случае экспериментальные пробы имели вдвое меньший объем по сравнению со стандартными кюветами (0,75 вместо 1,5 мл при таком же уровне жидкости), но длина оптического пути, а значит и оптическая плотность ДФИБФ и кислородных молекул, оставались неизменными.

В третьей серии экспериментов использовали водные растворы, время жизни СК в который составляет 3 мкс. Водный раствор представляет собой мицеллярный раствор детергента SDS (додецилсульфата натрия) с концентрацией 0,2 М. Опыты с детергентными растворами ДФИБФ проводили так же, как и со спиртовыми растворами, но сеанс облучения был больше и составлял 30 мин. Для приготовления проб к раствору SDS в кювете с помощью микропипетки добавляли небольшое количество концентрированного раствора ДФИБФ в ацетоне. При этом происходила солюбилизация химической ловушки в мицеллах детергента (конечное содержание ацетона по объему в пробе не превышало 4%).

При облучении растворов ДФИБФ в ацетоне из всех образцов исследуемым ИК-лазером в течение 15 мин наблюдался достоверный эффект выцветания ловушки. В качестве иллюстрации к опытам приведены рис. 1 и 2, которые показывают выцветание полосы поглощения ДФИБФ при действии ИК-лазера в наносекундном режиме и непрерывном режиме излучения.

В табл. 1 приведены относительные скорости выцветания ловушки в ацетоне при лазере в наносекундном импульсном и непрерывном режимах. Цифры, указанные в таблице, соответствуют скорости падения оптической плотности ловушки, нормированной на 1 Вт за минуту лазерного облучения. Каждое число является средним значением из трех независимых измерений (статистическая погрешность ±5%).

Из таблицы видно, что нормированный эффект выцветания ДФИБФ при использовании наносекундного импульсного режима излучения примерно на 40% больше, чем при использовании непрерывного режима. Такой результат объясняется тем, что за счет малого времени жизни и высокой мощности лазерных импульсов за время электронного перехода в молекуле кислорода с определенной вероятностью происходит суммирование энергии двух и даже трех лазерных фотонов, приводящее к заселению синглетного состояния кислорода в растворе.

Результаты опытов с этанолом показали, что в пробе с меньшим объемом скорость выцветания примерно вдвое выше. Результаты приведены в табл. 2, в которой показаны относительные скорости выцветания ДФИБФ в этаноле при действии двух режимов — наносекундного импульсного и непрерывного. По аналогии с предыдущей таблицей, приведенные цифры соответствуют скорости падения оптической плотности ловушки, нормированной на 1 Вт за минуту лазерного облучения. Каждое число является средним значением из трех независимых измерений (статистическая погрешность ±5%).

Таким образом, эффект выцветания ловушки в пробах с объемом 0,75 мл был примерно в 2 раза большим, чем для проб с объемом 1,5 мл, поэтому все дальнейшие опыты проводили в 5-мм кюветах. Как и в опытах с ацетоном, нормированный эффект выцветания ДФИБФ при использовании наносекундного импульсного режима примерно на 36% больше, чем при использовании непрерывного режима. Соответственно, причина этого также состоит в том, что при наносекундном излучении за счет коротких и мощных импульсов и суммирования лазерных фотонов происходит заселение синглетного состояния в растворе.

В качестве иллюстрации к экспериментам в этаноле приведены рис. 3 и 4, которые показывают выцветание полосы поглощения ДФИБФ при действии лазера в наносекундном импульсном и непрерывном режимах.

В дальнейших экспериментах использовали водный раствор, который представляет собой мицеллярный раствор детергента SDS с концентрацией 0,2 М.

Благодаря оптимизированным условиям, достаточный эффект выцветания ловушки достигался за достаточно короткое время облучения. Как и в предыдущей серии экспериментов, он выше на 35% при использовании наносекундного импульсного режима, чем при использовании непрерывного режима исследуемого прибора.

Установлено, что лазерное облучение приводит к окислению химической ловушки (ДФИБФ) в органических растворителях — ацетоне и этаноле. Поскольку молекулы ДФИБФ имеют максимум поглощения только в УФ и видимой области спектра и не поглощают ИК-излучение лазера, эффект обусловлен прямым лазерным возбуждением растворенного кислорода, полоса поглощения которого соответствует спектральной области лазерного излучения. Сравнение действия наносекундного импульсного режима лазерного модуля и непрерывного режима, показывает, что эффективность выцветания ДФИБФ больше под действием наносекундного импульсного режима примерно на 40% во всех биохимических средах, используемых в экспериментах. Наблюдаемый эффект можно соотнести с коротким временем жизни СК и лазерным излучением, при котором малое время жизни и высокая мощность лазерных импульсов способствуют суммированию энергии нескольких лазерных фотонов, которое, в свою очередь, способствует заселению синглетного состояния кислорода в растворах.

Все авторы в равной степени принимали участие в подготовке материала.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.