К.м.н. Ф.М.Моисеенко1, к.ф.-м.н. А.В.Аладов2, д.ф.м.н. А.Л.Закгейм2, к.ф.-м.н. М.Н.Мизеров2, В.В.Клименко1, Н.А.Верлов1,

чл.-корр. РАН М.В.Дубина1

1 Санкт-Петербургский академический университет – научно-образовательный центр нанотехнологий РАН

2 Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН

Преимущества наноструктурных излучателей света для хирургических

операций и фотодинамической терапии

Необходимость улучшения интрахирургической визуализации

• Оценка краев резекции опухоли• Интраоперационная оценка статуса

«сторожевых» лимфатических узлов• Динамическая интраоперационная оценка

диссеминации опухоли• Контрастная визуализация опухоли и

нормальных прилежащих структур

Keereweer S, et al. // Mol Imaging Biol 2010.

Хирургический светильник

• Предназначен для освещения операционного поля во время хирургических операций и диагностических исследований.• по количеству ламп разделяются на одно-, четырех-, семи- и девятирефлекторные и более;• по возможности перемещения - на стационарные и передвижные; • по возможности регулирования светового потока и площади освещенной поверхности - на светильники с регулируемым оснащением и без него. Питание светильников - сеть переменного тока напряжением 127 или 220 В/50 Гц.

Пример. Светильник хирургический одноблочный СРБ-2. ВНИИМП-ВИТА (НИИ медицинского приборостроения

РАМН)

Определение и классификация

Направления совершенствования хирургических светильников

• Циркулярно-эллиптический рефлектор, обеспечивающий улучшенную глубину освещенного поля.• Максимальное приближение к качеству дневного освещения операционного поля - постоянная цветовая температура в 4300К.• Минимизация инфракрасного излучения, что предотвращает высушивание тканей пациента и обеспечивает комфорт хирургу.• Повышение надежности источников освещения.• Использование лазерного луча для точного наведения центра освещенного поля.• Дополнение системой видеозаписи и трансляции изображения операции. • Электронное дистанционное управление режимами работы с помощью настенного пульта.• Использование светодиодных источников света.

Первая разработка хирургического светильника с использованием светодиодов - PentaLED™

(Rimsa, Италия)

Инженеры итальянской фирмы Rimsa разработали высокотехнологичную лампу для использования в операционных светильниках. По своим светотехническим параметрам новая лампа на основе светодиодов американской фирмы Lumileds Lighting не уступает традиционным изделиям того же назначения на основе галогеновых источников света, но при этом имеет ряд преимуществ. Во-первых, она практически не излучает тепла, во-вторых, крайне экономно расходует электроэнергию: обеспечивая световой поток в 600 люменов и освещённость 50 тысяч люкс, изделие итальянских инженеров, получившее название PentaLED, потребляет всего 25 ватт, то есть втрое меньше, чем галогеновый аналог со сходными характеристиками. Кроме того, срок службы нового светильника увеличен – по сравнению с обычными – в 25 раз. И, наконец, светодиодная лампа создаёт в операционной повышенный физический комфорт – как для хирургов, так и для пациентов: первые не потеют, у вторых не так быстро сохнут ткани в открытой ране. Новое изделие появится на рынке уже в третьем квартале нынешнего года.Источники: http://lumileds.com/newsandevents/releases/Feb_21_2003_Rimsa_PR.pdf http://www.osveti.ru/news/news.php?dt=20030821100018

Новости светотехники. Светотехника России

21.08.2003 Итальянская светодиодная лампа – новое чудо электротехники

Преимущества и дополнительные возможности хирургических светильников

при использовании светодиодных источников света

• Новое поколение светодиодов обеспечивает более комфортное восприятие операционного поля хирургами и реалистичное отображение цветовой гаммы тканей без их нагревания.• Светодиодный хирургический светильник не нуждается в фокусировке, предлагая оптимальную глубину и объем светового поля (использование системы динамического электронного контроля излучения и автоматического управления освещением операционного поля). • Новые светодиоды обладают увеличенным сроком службы, сниженным потреблением электроэнергии, что обеспечивает высокую эксплуатационную эффективность светодиодных хирургических светильников.

Примеры современных разработок хирургических светильников с использованием светодиодов

Операционный светильник POWERLED Компания MAQUET (Германия)

Хирургический светильник серии ЕМАЛЕД ЭМА Завод, ЗАО

(Екатеринбург)

Принципиальные ограничения используемых в настоящее время светодиодных источников

света для оптимальной визуализации биологических тканей

1. Недостаточные показатели спектральных и цветовых параметров (координаты цветности, индекс цветопередачи) светодиодных источников света.

2. Невозможность управления (настройки) интенсивностью и цветом излучения.

Аутофлюоресценция

Monici M. // Biotechnology Annaul Review. - 2005.

Спектры отражения различных биологических тканей

А.В. Аладов и соавт. // Светотехника - 2012.

Структурная схема управляемого RGB-источника света

Блок-схема

Фотография общего вида

Радиоканал 433МГц

Драйверы

Излучающий модуль

Микро-контроллерATTiny 461

Источник питания

Матрица СД

Т-сенсор

Сист.ох-лаждения

ПК

А.В. Аладов и соавт. // Светотехника - 2012.

Оптическая схема светильника

Пример реализации: R(637nm)/Y(594nm)/G(530nm)/B(458nm)Спектральное распределение и цветовые температуры для трех вариантов смешения излучения 4-х светодиодов

2856

4870 60

00

2697K R:Y:G:B = 5.76W : 1.5W : 3.2W : 1W (в люменах 18 : 13.6 : 30 : 1)CRI =59.63; LE= 295 lm/W, КПД=14.95%, WPE= 44 lm/W5187K R:Y:G:B = 1.2W : 0.5W : 1.37W : 1W (в люменах 3.7 : 4.53 : 13 : 1)CRI =75.2; LE= 295 lm/W, КПД=13.97%, WPE= 41 lm/W5794K R:Y:G:B = 1.02W : 0.395W : 1.15W : 1W (в люменах 3.15 : 3.57 : 11 : 1)CRI =72.74; LE= 283 lm/W, КПД=13.7%, WPE= 39 lm/W

ACULED4_Short.dok

400 500 600 7000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0637

594530Arb

.un

Wavelength, nm

2697K(OL)-2856(AV) 5187K(OL)-4870(AV) 5794K(OL)-6000(AV)

458

ACCULED- 4

Контрастная визуализация опухоли

Визуализация сосудов при изменении спектральных характеристик

• 1911 год – Хаусманн начал первые эксперименты с гематопорфирином IX, полученным из крови (619 нм)

• 1941 год – Блюм впервые описал процесс возбуждения молекул под действием солнечного света, а также возникновение синглетного кислорода и его цитостатическое действие

• 1960-е годы – Р. Липсон и соавт. провели первые опыты по клиническому применению ФДТ у больных злокачественными опухолями

• 1986 год – Дж. Боммер и соавт. представили первое описание фотодинамических свойств хлоринов

История фотодинамической терапии

Эксперимент Оскара Раабе (1898 год)

Jesionek H., Tappeiner H. // Dtsch. Arch. Klin. Med. – 1905.

Фотография больному с плоскоклеточной опухолью кожи, которому в качестве фотосенсибилизатора был введен эозин.

Неилс Риберг Финсен

Нобелевская премия по физиологии и медицине

1903 года

Неилс Финсен показал, что красный свет вызывает уменьшение кожных высыпаний при оспе, а ультрафиолет приводит к ремиссии кожных проявлений туберкулеза

Фредерик Мейер-Бетс1913 год

Meyer-Betz F. // Dtsch. Arch. Klin. Med. - 1913.

Механизм активации кислорода при фотодинамической реакции

Лазеры, применяемые для фотодинамической терапии

Углекислотный лазер - для удаления очень тонких слоев ткани с поверхности кожи без удаления глубоких слоев

Неодимовый: иттрий-алюминиевый гранат (Nd: YAG) лазер

- излучение на длине волны 1064нм глубже проникать в ткани и приводит к быстрому свертыванию крови - лазерное излучение может быть подведено через оптоволокно к менее доступной внутренней части тела.

Аргоновый лазер- проникает только через поверхностные слои тканей

Фотосенсибилизаторы и лазеры для фотодинамической терапии

На настоящий момент полупроводниковые лазеры являются оптимальным источников света для возникновения фотодинамической реакции

Radachlorin (Россия), MACE (Япония, Канада)

Фотогем (Россия)Photofrin I (США)Photosan (Германия)

Photosense (Россия)

Patrizia Agostinis, et al. // Ca Cancer J Clin - 2011

Полупроводниковые лазеры vs не полупроводниковые лазеры для ФДТ

СтоимостьПортативностьНадежностьЭнергоэффективностьШирокая возможность для изменения

настроек

В настоящее время полупроводниковые лазеры являются наиболее эффективными источниками лазерного излучения для фотодинамической терапии.

Полупроводниковые светодиоды

                                      

                                      

                                      

                                       

Концентрации триплетного и накопленного синглетного кислорода при непрерывном и

импульсном режимах облучения

Непрерывный режим облучения Импульсный режим облучения

Противоопухолевое действие различных режимов облучения

0 1 2 30

1500

3000

4500

6000

7500

9000

10500

12000

13500

15000

16500

Количество клеток

count CWcount Pulse

Доза, Дж/см2

Коли

чест

во к

лето

к

Некротическая гибель клеток на фоне различных режимов облучения

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

1

2

3

4

5

6

7

8

Некроз

l2 dead CWl2 dead Pulse

Доза, Дж/см2

Никр

отич

ески

е Кл

етки

, %

Гибель клеток через апоптоз на фоне различных режимов облучения

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

5

10

15

20

25

Апоптоз

l1 apoptpsis CWl1 apoptpsis Pulse

Доза, Дж/см2

Апоп

тоти

ческ

ие К

летк

и, %

Благодарю за внимание