СПОСОБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОПУХОЛЕЙ КОСТНОЙ ТКАНИ Хуторной Александр Юрьевич

СПОСОБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОПУХОЛЕЙ
КОСТНОЙ ТКАНИ
Хуторной Александр Юрьевич
аспирант кафедры промышленной электроники (ПрЭ) Томского
государственного университета систем управления и радиоэлектроники
(ТУСУР), г. Томск
E-mail: [email protected]
Кобзев Анатолий Васильевич
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ПрЭ ТУСУР, г. Томск
Семенов Валерий Дмитриевич
канд. техн. наук, профессор, зам. зав. кафедрой ПрЭ по научной работе
ТУСУР, г. Томск
Пахмурин Денис Олегович
канд. техн. наук, доцент, зав. лабораторией ТУСУР, г. Томск
Жеравин Александр Александрович
канд. мед. наук, научный сотрудник ФГБУ НИИ онкологии СО РАМН г. Томск
Литвинов Александр Викторович
аспирант кафедры ПрЭ ТУСУР г. Томск
Учаев Виктор Николаевич
аспирант кафедры ПрЭ ТУСУР г. Томск
THE HIGH-TEMPERATURE METHOD FOR TUMOR DESTRUCTION OF
BONE TISSUE
Khutornoy Alexander
the post-graduate student of the industrial electronics chair of Tomsk State University
of Control Systems and Radioelectronics (TUSUR), Tomsk
Kobzev Anatoliy
d.Sc., prof., the chief of the industrial electronics chair, TUSUR, Tomsk
Semenov Valeriy
phD, prof., the vice-chief of the industrial electronics chair, TUSUR, Tomsk
Pakhmurin Denis
phD, assistant prof., the chief of laboratory, TUSUR, Tomsk
Zheravin Alexander
phD (medical), research worker of oncology scientific research institute, Tomsk
Litvinov Alexander
the post-graduate student of the industrial electronics chair, TUSUR, Tomsk
Uchaev Victor
the post-graduate student of the industrial electronics chair, TUSUR, Tomsk
АННОТАЦИЯ
В статье описываются проблемы высокотемпературного воздействия на
кость.
Предлагаются
устройство
и
способ
для
высокотемпературной
деструкции опухоли кости. Кроме того, рассматривается экспериментальное
исследование на неживой костной ткани, подтверждающее эффективность
термического воздействия.
ABSTRACT
This article describes the problems of the high-temperature impact of bones. The
special device and the method for high-temperature destruction of the bone tumors
are offered. Also the results of experiments in non-living bones which prove the
effectiveness of thermal impact are described.
Ключевые
слова:
онкология,
кость,
температура,
стабилизация,
деструкция.
Keywords: oncology, bone, temperature, stabilization, destruction.
Раком костей называют злокачественные опухоли, возникающие в
различных местах скелетной системы человека. Сами по себе онкологические
заболевания костей относительно редки — не более 1 % всех случаев
диагностированных опухолей, но множество опухолей других органов
метастазируют (проникают) в костную ткань [6]/
В
настоящее
время
интенсивно
развиваются
способы
лечения
доброкачественных и злокачественных опухолей кости путем перегрева
соответствующего патологического очага внутри тела пациента.
Один из способов теплового воздействия на опухолевую ткань — это
термоабляция,
или
нагрев
области
биологической
ткани,
в
которой
расположено злокачественное новообразование, до достижения температуры
свыше
65 оС.
Задачей
устройств,
реализующих
метод
термоабляции,
равномерно нагреть локальную область до температуры свыше 65 оС и
поддержать эту температуру в течении 20 минут.
Известно большое количество различных установок, предназначенных для
реализации метода высокотемпературного воздействия. Их действие основано
на различных принципах — микроволновое излучение (СВЧ-диапазон —
«Яхта» (ФГУП«Исток», Россия), УВЧ-диапазон — «Супертерм» (МНТЦ
гипертермии, Россия), ультразвуковые волны — “Ablaterm” (EDAP-Techmed,
Франция), протонные пучки (ЗАО «Протом», Россия [5, с. 300].
Однако существует целый ряд недостатков, присущий этим устройствам.
Практически все установки для обеспечения стабилизации температуры в
нагреваемой области используют внешние датчики температуры, помещаемые
в опухолевую ткань, что увеличивает вероятность развития метастазов.
Электромагнитное поле является наиболее распространенным способом
нагрева биологической ткани. К недостаткам способа, использующего
электромагнитное излучение [3] следует отнести в первую очередь то, что
температура нагрева распределена неравномерно и варьируется в пределах от
50 до 135 оС, из чего следует, что некоторые области перегреваются, а другие
наоборот нагреваются недостаточно. Кроме того электромагнитное излучение в
целом пагубно влияет на живой организм [2].
Так же небезызвестным является метод HIFU (High-intensity focused
ultrasound). Так же как и другие, метод HIFU имеет недостатки, которые
ограничивают возможность применения этого метода для лечения опухолевых
заболеваний кости. Ультразвуковые волны практически полностью отражаются
от кортикального слоя кости и не проникают в нее, что приводит к
невозможности нагрева опухоли [4, с. 31]. Кроме всего прочего, габариты
установок могут достигать нескольких метров в каждом направлении, масса —
нескольких сотен килограмм, а мощность — десятки киловатт [5, с. 300].
От вышеперечисленных недостатков освобождено устройство для нагрева
и
стабилизации
температуры
биологической
ткани [1, с. 221].
Принцип
действия устройства основан на введении в костную ткань нагревателей,
выполненных в виде медицинской иглы, вокруг опухоли и равномерно по ее
объему. Температура стабилизации нагревательных элементов — 95 оС.
Устройство для нагрева биологической ткани (рисунок 1) содержит источник
питания 1 и, по крайней мере, три связанных с источником питания блока
управления температурой, каждый из которых включает измерительный орган
4, регулятор мощности 2 и усилитель 3. При этом каждый из нагревателей
биологической ткани выполнен в виде иглы.
Рисунок 1. Функциональная схема устройства для реализации метода
высокотемпературной деструкции опухоли кости
С помощью этого устройства была проведена серия экспериментов на
неживой костной ткани. Целью эксперимента было нагреть костную ткань до
температуры свыше 65 оС и поддержать эту температуру в течение 20 минут. А
так же оценить равномерность нагрева с помощью датчиков температуры.
Способ высокотемпературной деструкции тканей кости был реализован в
эксперименте на неживой костной ткани, а именно бедренном суставе свиньи.
Эксперимент проходил следующим образом. На плоской поверхности кости
размечались две окружности диаметром 3 и 1,5 см, а так же условно
обозначалась локальная область (5, рисунок 2), которую необходимо прогреть
до температуры свыше 65 оС. По границам окружностей были введены 18
нагревательных
элементов
и
датчики
температуры,
согласно
схеме
эксперимента (рисунок 2), прогрев производился в два этапа, сначала
прогревалась область вокруг локальной области с помощью нагревателей 1, а
через 30 минут дополнительно включался внутренний круг нагревателей 2,
расположенных внутри нагреваемой области.
Рисунок 2. Схема эксперимента
Температура в центре нагрева и на границе нагреваемой области
определялась датчиками 3 и 4. График распределения температуры представлен
на рисунке 3.
Рисунок 3. Зависимость температуры на датчиках температуры от
времени
На
рисунке
3
кривая
1
соответствует
температуре
датчика,
расположенного на границе нагреваемой области, кривая 2 — датчика
температуры в центре нагрева.
Принцип наложения тепловых полей от нескольких нагревателей
представлен на рисунке 4. Тепловые поля 2 от каждого нагревателя внешнего
круга 1 и внутреннего 5 накладываются друг на друга, образуя зону
пересечения 3, температура которой достигает 80—90 оС. Вследствие этого
область 4 равномерно прогревается до температуры выше 65 оС и происходит
коагуляция белка.
Рисунок 4. Схема наложения тепловых полей от нагревателей
После
воздействия
высокой
температуры
поврежденная
область
замещается фиброзной тканью и остается в организме, не мешая и не вредя ему.
Таким образом, предложенное устройство и способ реализации метода
высокотемпературной деструкции опухоли кости позволяют осуществить
независимую стабилизацию температуры на каждом нагревателе, обеспечивают
достижение, поддержание и равномерное распределение температуры в
опухолевом узле на заданном уровне в течение необходимого времени работы.
Достигаемый уровень температуры в зоне нагрева обеспечивает повреждение и
последующую гибель опухолевых клеток внутри нагреваемой области и
оказывает минимальное отрицательное воздействие на здоровые клетки вне
зоны нагрева, не вызывая их повреждение. Устройство и способ могут быть
применены для высокотемпературного разрушения опухолей костной ткани.
Список литературы:
1.
Аппаратно-программный
комплекс
для
реализации
локальной
гипертермии в лечении онкологических заболеваний / Кобзев А.В.,
Семенов В.Д., Пахмурин Д.О., Хуторной А.Ю., Литвинов А.В., Учаев В.Н /
Медицинские приборы и технологии: Международный сборник научных
статей / Под общ. Редакцией А.З. Гусейнова и В.В. Савельева. — Вып. 4.
Тула: Издательство ТулГУ, 2011 — С. 216—222.
2.
Влияние на организм сверхвысокочастотного электромагнитного поля
(СВЧ-поля)
[Электронный
ресурс]
—
Режим
доступа.
http://www.internevod.com/rus/academy/med/01/vliyanie.shtml
—
URL:
(дата
обращения: 02.09.2013).
3.
Макаров В.Н.,
Алексеенков С.О.,
Дорошенко Н.Н,
Макарова С.М.,
Ющенко Г.В. Комплекс для радиочастотного разрушения биоткани //
Патент России № 82543, 2009
4.
Монография:
Назаренко Г.И.,
Чен В.Ш.,
Джан Л.,
Хитрова А.Н.
и
др. Ультразвуковая абляция как высокотехнологичная органосохраняющая
альтернатива хирургической операции. М., 2008. — 75 с.
5.
Управление электронными игольчатыми нагревателями при реализации
метода локальной гипертермии и его экспериментальная проверка /
Кобзев А.В.,
Семенов В.Д.,
Пахмурин Д.О.,
Хуторной А.Ю.,
Литвинов А.В., Учаев В.Н. / Доклады ТУСУР, периодический научный
журнал, Томск, декабрь 2010 г. Томск: В-Спектр, 2010. 2(22), часть 2 —
С. 300—301.
6.
Салмаах Г.M. Рак костей [Электронный реcурс]. — Режим доступа. —
URL: http://ne-kurim.ru/glossary/rak-kostey/ (дата обращения:02.09.2013).