Преимущества наноструктурных излучателей света для

Преимущества наноструктурных
излучателей света для хирургических
операций и фотодинамической терапии
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
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
Определение и классификация
• 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)
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)
Новости светотехники. Светотехника России
21.08.2003 Итальянская светодиодная лампа –
новое чудо электротехники
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, вовторых, 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
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
Излучающий модуль
Блок-схема
Микроконтроллер
ATTiny 461
Источник
питания
Фотография
общего вида
Драйверы
Матрица
СД
Т-сенсор
Радиоканал 433МГц
Сист.охлаждения
ПК
Оптическая схема светильника
А.В. Аладов и соавт. // Светотехника - 2012.
Пример реализации: R(637nm)/Y(594nm)/G(530nm)/B(458nm)
Спектральное распределение и цветовые температуры для трех
вариантов смешения излучения 4-х светодиодов
ACCULED- 4
2697K(OL)-2856(AV)
5187K(OL)-4870(AV)
5794K(OL)-6000(AV)
1,0
Arb.un
0,8
637
28
56
458
48
70
60
00
0,6
530
594
0,4
0,2
0,0
400
500
600
700
Wavelength, nm
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/W
5187K  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/W
5794K  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
Контрастная визуализация опухоли
Визуализация сосудов при изменении
спектральных характеристик
История фотодинамической терапии
• 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
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-Бетс
1913 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
В настоящее время полупроводниковые лазеры являются наиболее
эффективными источниками лазерного излучения для фотодинамической
терапии.
Стоимость
 Портативность
 Надежность
 Энергоэффективность
 Широкая возможность для изменения
настроек

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
Количество клеток
16500
15000
13500
Количество клеток
12000
10500
9000
count CW
7500
count Pulse
6000
4500
3000
1500
0
0
1
2
Доза, Дж/см2
3
Некротическая гибель клеток на фоне
различных режимов облучения
Некроз
8
7
Никротические Клетки, %
6
5
4
l2 dead CW
l2 dead Pulse
3
2
1
0
0
0.5
1
1.5
Доза, Дж/см2
2
2.5
3
Гибель клеток через апоптоз на фоне
различных режимов облучения
Апоптоз
25
Апоптотические Клетки, %
20
15
l1 apoptpsis CW
10
l1 apoptpsis Pulse
5
0
0
0.5
1
1.5
Доза, Дж/см2
2
2.5
3
Благодарю за внимание