Применение биофантомов для оценки термических эффектов лазерного излучения с длинами волн 970 нм и 1560 нм при разных режимах воздействия

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 88^оС. 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.

1. Mohammadi 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/s21124236

2. Ahmed 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.10081634

3. Franzini 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:10.1080/02656736.2019.1616833

4. Geoghegan 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.15439

5. Chen 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-z

6. Lagman 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.2016.10.019

7. Острейко О.В., Можаев С.В. Способ лечения глиальных опухолей головного мозга супратенториальной локализации // Патент РФ на изобретение №2533032 от 16.09.2014.

8. 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: 10.1080/02656736.2019.1605458

9. Negussie 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: 10.3109/02656736.2016.1145745

10. Dabbagh 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: 10.3109/02656736.2013.854930

11. Bazrafshan 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: 10.1118/1.3570577

12. Davidson 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: 10.1080/02656730310001607995

13. Ningrum 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.41499

14. Vogel A., Venugopoplan V. Mechanisms of Pulsed Laser Ablation of Biological Tissues // Chem. Rev. – 2003. – Vol. 103. – P. 577−644. doi: 10.1021/cr030683b

15. Minton 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: 10.1118/1.4757617

16. Guntur 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.2014.06.010

17. Welch A.J., Gemert M.J.C. Optical-thermal response of laser- irradiation tissue. // Springer. – 2011. – 947 p. doi:10.1007/978-90-481-8831-4

18. 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.

19. 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/s20226496

20. Manns 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