biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2022-11-2-12-22bioph-539Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESПрименение биофантомов для оценки термических эффектов лазерного излучения с длинами волн 970 нм и 1560 нм при разных режимах воздействияApplication of biophantomes to evaluate the thermal effects of laser radiation with wavelengths of 970 nm and 1560 nm under different exposure modesОстрейкоО. В.OstreikoO. V.

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

ГалкинМ. А.GalkinM. A.

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

ПапаянГ. В.PapayanG. V.

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

ГришачеваТ. Г.GrishachevaT. G.

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

ПетрищевН. Н.PetrishchevN. N.

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. ПавловаРоссияPavlov First Saint-Petersburg State Medical UniversityRussian Federation2022260720221121222Copyright © Острейко О.В., Галкин М.А., Папаян Г.В., Гришачева Т.Г., Петрищев Н.Н., 20222022Острейко О.В., Галкин М.А., Папаян Г.В., Гришачева Т.Г., Петрищев Н.Н.Ostreiko O.V., Galkin M.A., Papayan G.V., Grishacheva T.G., Petrishchev N.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/539

Лазерная интерстициальная гипертермия – активно развивающееся направление в хирургии внутримозговых опухолей. В работе представлены термические эффекты в полиакриламидных биофантомах с бычьим альбумином и цитратной кровью при лазерном облучении на длине волны 970 нм и 1560 нм. Для лазерного облучения использован хирургический двухволновый аппарат (ИРЭ «Полис», г. Фрязино, Россия). Облучение фантома осуществлялось через кварцевое световолокно диаметром 400 мкм с торцевым выходом. Результатом облучения была зона коагуляции, которая визуализирована флуоресцентным органоскопом «FLUM-LL». Термометрия осуществлялась тепловизором FLIRONE PRO for IOS и цифровым термографом Т-8 на базе ноутбука с термосенсорами, размещенными в фантоме. Использование облучения мощностью не более 2 Вт в режиме коагуляции с суммарной дозой энергии до 120 Дж позволяло достигать плавного подъема температуры до 88оС. Зона коагуляции при облучении волной 1560 нм всегда была больше, чем при облучении волной 970 нм, хотя статистически разница была недостоверной (p=0,41). Средняя площадь пятна коагуляции для излучения 970 нм составила 43,2 (39,3 – 47,1) мм2, для 1560 нм – 99,4 (56,5 – 141,3) мм2. При суммарном облучении двумя волнами, зона коагуляции была больше, если преобладала мощность излучения 1560 нм. При облучении волной 970 нм зона коагуляция частично распространяется кзади от кончика световолокна, при 1560 нм – коагулирует фантом кпереди. Полученные результаты имеют практическую значимость при применении лазерной гипертермии внутримозговых опухолей.

Laser interstitial hyperthermia is an actively developing direction in intracerebral tumor surgery. The paper presents thermal effects in polyacrylamide biophantoms with bovine albumin and citrated blood under laser irradiation at 970 nm and 1560 nm. For laser irradiation, a surgical two-wave apparatus manufactured by IRE Polis was used. The phantom was irradiated through a quartz optical fiber 400 µm in diameter with an end exit. The result of irradiation of the phantom was its coagulation zone, which was visualized with a FLUM-LL fluorescent organoscope. Thermometry was carried out with a FLIRONE PRO for IOS thermal imager and a T-8 digital thermograph based on a laptop with thermal sensors placed in a phantom. The use of irradiation with a power of not more than 2 W in the coagulation mode, with a total energy dose of up to 120 J, made it possible to achieve a smooth rise in temperature to 88.0 °C. The dimensions of the coagulation zone under irradiation with a wave of 1560 nm were always larger than under irradiation with a wave of 970 nm, although the difference was not statistically significant (p=0,41). Thus, the average coagulation spot area for 970 nm radiation was 43.2 (39.3 – 47.1) mm2, and for 1560 nm – 99.4 (56.5-141.3) mm2. With total irradiation with two waves, the coagulation zone was larger if the radiation power of 1560 nm prevailed. When irradiated with a wave of 970 nm, the coagulation zone partially propagates posteriorly from the tip of the optical fiber, and 1560 nm coagulates the phantom anteriorly. The results obtained are of practical importance for laser hyperthermia of intracerebral tumors.

биофантомтермометрия лазерного облучения биофантомалазерная гипертермия внутримозговых опухолейрежимы гипертермииbiophantom laser irradiation thermometrylaser hyperthermia of intracerebral tumorshyperthermia modesReferencesMohammadi A., Bianchi L., Asadi S., Saccomandi P. Measurement of Ex Vivo Liver, Brain and Pancreas Thermal Properties as Function of Temperature // Sensors (Basel). – 2021. – Vol. 21(12). – P. 4236. doi: 10.3390/s21124236Mohammadi A., Bianchi L., Asadi S., Saccomandi P. Measurement of Ex Vivo Liver, Brain and Pancreas Thermal Properties as Function of Temperature // Sensors (Basel). – 2021. – Vol. 21(12). – P. 4236. doi: 10.3390/s21124236Ahmed M., Brace C.L., Fred T Lee Jr. F.T., Goldberg S.N. Principles of and advances in percutaneous ablation // Radiology. – 2011. – Vol. 258(2). – P. 351-69. doi: 10.1148/radiol.10081634Ahmed M., Brace C.L., Fred T Lee Jr. F.T., Goldberg S.N. Principles of and advances in percutaneous ablation // Radiology. – 2011. – Vol. 258(2). – P. 351-69. doi: 10.1148/radiol.10081634Franzini A., Moosa S., Servello D., Small I., DiMeco F., Xu Z., Elias W.J., Franzini A., Prada F. Ablative brain surgery: an overview // Int. J. Hyperth. – 2019. – Vol. 36. – P. 64–80. doi:10.1080/02656736.2019.1616833Franzini A., Moosa S., Servello D., Small I., DiMeco F., Xu Z., Elias W.J., Franzini A., Prada F. Ablative brain surgery: an overview // Int. J. Hyperth. – 2019. – Vol. 36. – P. 64–80. doi:10.1080/02656736.2019.1616833Geoghegan R., Ter Haar G., Nightingale K., Marks L., Natarajan S. Methods of monitoring thermal ablation of soft tissue tumors - A comprehensive review // Med. Phys. – 2022. – Vol. 49(2). – P. 769-791. doi: 10.1002/mp.15439Geoghegan R., Ter Haar G., Nightingale K., Marks L., Natarajan S. Methods of monitoring thermal ablation of soft tissue tumors - A comprehensive review // Med. Phys. – 2022. – Vol. 49(2). – P. 769-791. doi: 10.1002/mp.15439Chen C., Lee I., Tatsui C., Elder T., Sloan A.E. Laser interstitial thermotherapy (LITT) for the treatment of tumors of the brain and spine: a brief review // J. of Neuro-Oncology. – 2021. – Vol. 151. – P. 429–442. doi: 10.1007/s11060-020-03652-zChen C., Lee I., Tatsui C., Elder T., Sloan A.E. Laser interstitial thermotherapy (LITT) for the treatment of tumors of the brain and spine: a brief review // J. of Neuro-Oncology. – 2021. – Vol. 151. – P. 429–442. doi: 10.1007/s11060-020-03652-zLagman C., Chung L.K., Pelargos P.E., Ung N., Bui T.T., Lee S.J., Voth B.L., Yang I. Laser neurosurgery: A systematic analysis of magnetic resonance-guided laser interstitial thermal therapies // J. Clin. Neurosci. – 2017. – Vol. 36. – P. 20-26. doi: 10.1016/j.jocn.2016.10.019Lagman C., Chung L.K., Pelargos P.E., Ung N., Bui T.T., Lee S.J., Voth B.L., Yang I. Laser neurosurgery: A systematic analysis of magnetic resonance-guided laser interstitial thermal therapies // J. Clin. Neurosci. – 2017. – Vol. 36. – P. 20-26. doi: 10.1016/j.jocn.2016.10.019Острейко О.В., Можаев С.В. Способ лечения глиальных опухолей головного мозга супратенториальной локализации // Патент РФ на изобретение №2533032 от 16.09.2014.Острейко О.В., Можаев С.В. Способ лечения глиальных опухолей головного мозга супратенториальной локализации // Патент РФ на изобретение №2533032 от 16.09.2014.Eranki A., Mikhaila A.S., Negussiea A.H., Prateek S.K., Wooda B.J., Partanen A. Tissue-mimicking thermochromic phantom for characterization of HIFU devices and applications // International Journal of Hyperthermia. – 2019. – Vol. 36(1). – P. 518-529. doi: 10.1080/02656736.2019.1605458Eranki A., Mikhaila A.S., Negussiea A.H., Prateek S.K., Wooda B.J., Partanen A. Tissue-mimicking thermochromic phantom for characterization of HIFU devices and applications // International Journal of Hyperthermia. – 2019. – Vol. 36(1). – P. 518-529. doi: 10.1080/02656736.2019.1605458Negussie A.H., Partanen A., Mikhail A.S., Xu S., Abi-Jaoudeh N., Maruvada S., Wood B.J. Thermochromic tissue-mimicking phantom for optimisation of thermal tumour ablation // Int. J. Hyperthermia. – 2016. – Vol. 32(3). – P. 239-43. doi: 10.3109/02656736.2016.1145745Negussie A.H., Partanen A., Mikhail A.S., Xu S., Abi-Jaoudeh N., Maruvada S., Wood B.J. Thermochromic tissue-mimicking phantom for optimisation of thermal tumour ablation // Int. J. Hyperthermia. – 2016. – Vol. 32(3). – P. 239-43. doi: 10.3109/02656736.2016.1145745Dabbagh A., Jeet Abdullah B.J., Abu Kasim N.H., Ramasindarum C. Reusable heat-sensitive phantom for precise estimation of thermal profile in hyperthermia application // Int. J. Hyperthermia. – 2014. – Vol. 30(1). – P. 66-74. doi: 10.3109/02656736.2013.854930Dabbagh A., Jeet Abdullah B.J., Abu Kasim N.H., Ramasindarum C. Reusable heat-sensitive phantom for precise estimation of thermal profile in hyperthermia application // Int. J. Hyperthermia. – 2014. – Vol. 30(1). – P. 66-74. doi: 10.3109/02656736.2013.854930Bazrafshan B., Hubner F., Farshid P., Larson M.C., Vogel V., Mantele W., Vogl T.J. A liver-mimicking MRI phantom for thermal ablation experiments // Med. Phys. – 2011. – Vol. 38. – P. 2674–84. doi: 10.1118/1.3570577Bazrafshan B., Hubner F., Farshid P., Larson M.C., Vogel V., Mantele W., Vogl T.J. A liver-mimicking MRI phantom for thermal ablation experiments // Med. Phys. – 2011. – Vol. 38. – P. 2674–84. doi: 10.1118/1.3570577Davidson S.R.H., Sherar M.D. Measurement of the thermal conductivity of polyacrylamide tissue-equivalent material // Int. J. Hyperthermia. – 2003. – Vol. 19(5). – P. 551-62. doi: 10.1080/02656730310001607995Davidson S.R.H., Sherar M.D. Measurement of the thermal conductivity of polyacrylamide tissue-equivalent material // Int. J. Hyperthermia. – 2003. – Vol. 19(5). – P. 551-62. doi: 10.1080/02656730310001607995Ningrum E.O., Purwanto A., Rosita G.C., Bagus A. The Properties of Thermosensitive Zwitterionic Sulfobetaine NIPAM-co-DMAAPS Polymer and the Hydrogels: The Effects of Monomer Concentration on the Transition Temperature and Its Correlation with the Adsorption Behavior // Indones. J. Chem. – 2020. – Vol. 20 (2). – P. 324-335. doi: 10.22146/ijc.41499Ningrum E.O., Purwanto A., Rosita G.C., Bagus A. The Properties of Thermosensitive Zwitterionic Sulfobetaine NIPAM-co-DMAAPS Polymer and the Hydrogels: The Effects of Monomer Concentration on the Transition Temperature and Its Correlation with the Adsorption Behavior // Indones. J. Chem. – 2020. – Vol. 20 (2). – P. 324-335. doi: 10.22146/ijc.41499Vogel A., Venugopoplan V. Mechanisms of Pulsed Laser Ablation of Biological Tissues // Chem. Rev. – 2003. – Vol. 103. – P. 577−644. doi: 10.1021/cr030683bVogel A., Venugopoplan V. Mechanisms of Pulsed Laser Ablation of Biological Tissues // Chem. Rev. – 2003. – Vol. 103. – P. 577−644. doi: 10.1021/cr030683bMinton J.A., Iravani A., Yousefi A. Improving the homogeneity of tissue-mimicking cryogel phantoms for medical imaging // Med. Phys. – 2012. – Vol. 39(11). – P. 6796-807. doi: 10.1118/1.4757617Minton J.A., Iravani A., Yousefi A. Improving the homogeneity of tissue-mimicking cryogel phantoms for medical imaging // Med. Phys. – 2012. – Vol. 39(11). – P. 6796-807. doi: 10.1118/1.4757617Guntur S.R., Choi M.J. An improved tissue-mimicking polyacrylamide hydrogel phantom for visualizing thermal lesions with high-intensity focused ultrasound // Ultrasound in med. and biol. – 2014. – Vol. 40(11). – P. 2680-2691. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2014.06.010Guntur S.R., Choi M.J. An improved tissue-mimicking polyacrylamide hydrogel phantom for visualizing thermal lesions with high-intensity focused ultrasound // Ultrasound in med. and biol. – 2014. – Vol. 40(11). – P. 2680-2691. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2014.06.010Welch A.J., Gemert M.J.C. Optical-thermal response of laser- irradiation tissue. // Springer. – 2011. – 947 p. doi:10.1007/978-90-481-8831-4Welch A.J., Gemert M.J.C. Optical-thermal response of laser- irradiation tissue. // Springer. – 2011. – 947 p. doi:10.1007/978-90-481-8831-4Kang U.K., Папаян Г.В., Березин И.Б., Jin Bae-Soo, Ким С.В., Петрищев Н.Н. Мультиспектральные флуоресцентные орга- носкопы для прижизненных исследований лабораторных животных и их органов // Оптический журнал. –2011. – Vol. 78(9). – P. 82-90.Kang U.K., Папаян Г.В., Березин И.Б., Jin Bae-Soo, Ким С.В., Петрищев Н.Н. Мультиспектральные флуоресцентные орга- носкопы для прижизненных исследований лабораторных животных и их органов // Оптический журнал. –2011. – Vol. 78(9). – P. 82-90.Korganbayev S., Orrico A., Bianchi L., De Landro M., Wolf A., Dostovalov A., Saccomandi P. Closed-Loop Temperature Control Based on Fiber Bragg Grating Sensors for Laser Ablation of Hepatic Tissue // Sensors 2020. – Vol. 20(22). – P. 6496. doi.org/10.3390/s20226496Korganbayev S., Orrico A., Bianchi L., De Landro M., Wolf A., Dostovalov A., Saccomandi P. Closed-Loop Temperature Control Based on Fiber Bragg Grating Sensors for Laser Ablation of Hepatic Tissue // Sensors 2020. – Vol. 20(22). – P. 6496. doi.org/10.3390/s20226496Manns F., Milne P.J, Gonzalez-Cirre X., Denham, D.B, Parel J., Robinson D.S. In situ temperature measurements with thermocouple probes during laser Interstitial thermotherapy (LITT): quantification and correction of a measurement artifact // Lasers Surg. Med. – 1998. – Vol. 23(2). – P. 94–103. doi: 10.1002/(sici)1096-9101(1998)23:2<94::aid- lsm7>3.0.co;2-qManns F., Milne P.J, Gonzalez-Cirre X., Denham, D.B, Parel J., Robinson D.S. In situ temperature measurements with thermocouple probes during laser Interstitial thermotherapy (LITT): quantification and correction of a measurement artifact // Lasers Surg. Med. – 1998. – Vol. 23(2). – P. 94–103. doi: 10.1002/(sici)1096-9101(1998)23:2<94::aid- lsm7>3.0.co;2-q

The authors declare that there are no conflicts of interest present.