26 апреля 2020г.
Введение. В последние годы в клиническую практику широко внедряются высокотехнологичные методы лечения, призванные существенно ограничить инвазивность хирургических манипуляций. Примером внедрения новых технологий является использование высокочастотного фокусированного ультразвука (HIFU) при лечении новообразований. Метод HIFU обладает рядом существенных преимуществ (неинвазивность, повторяемость до достижения клинического эффекта, отсутствие постпроцедурных изменений в здоровых тканях) и закладывает основы «идеальной» хирургии [1,3] при минимальном операционно-анестезиологическом риске.
За последние 15-20 лет HIFU-терапия стала серьезной альтернативой хирургическим методам лечения в онкологии и активно используется при лечении доброкачественных и злокачественных новообразований печени, молочных желез, предстательной железы, соединительной ткани, почек, головного мозга, щитовидной и паращитовидной желез [1, 2].
В основе лечебного эффекта фокусированного ультразвука лежат феномены физической природы [4], основанные на генерации теплоты, выделяющейся при поглощении биологическими тканями акустической энергии, механических возмущений в биологической среде. Распространение высокочастотных фокусированных колебаний в гетерогенных живых тканях формирует акустическое поле в виде совокупности пространственно-временных распределений, характеристик механического возмущения с образованием интерференционного максимума в локальной зоне за счет суперпозиции акустических волн, порождающих тепловое поле, от внешнего ультразвукового источника. Очевидно, что реакция биологических структур на такие воздействия должна определяться, с одной стороны, характером распределения энергии и степенью проявления волновых и нелинейных эффектов, а с другой – характеристиками высокочастотного фокусированного акустического поля. Фокусированные высокоинтенсивные акустические колебания, порождая продольные, сдвиговые и изгибные волны в биотканях, генерируют тепловую волну, вызывающую механические, электрические феномены, которые отражаются на формировании пространственно-временного континуума теплового поля в зоне фокуса. Однако ряд вопросов остается еще окончательно не решенным, одним из которых является распределение HIFU-индуцированного теплового паттерна, формирующего пространственно неоднородные температурные поля при воздействии высокоинтенсивным фокусированным ультразвуком, которые способны интегрироваться, увеличивая тем самым зону термической абляции, включая и здоровые ткани. Подобное объединение в гетерогенных биологических структурах с неоднородной гемодинамикой во многом связанно с нелинейными тепловыми эффектами, способными порождать зоны с малым перепадом температур, что увеличивает область теплового повреждения. При этом суммарная и распределенная площадь температурных паттернов во многом зависит от интенсивности кровотока в данном регионе, выполняющего роль тепломассопереносчика и ограничивающего распространение HIFU-индуцированной тепловой волны.
В связи с этим целью исследования является оценка состояния прижизненного локального кровотока, играющего роль тепломассопереносчика в биологических структурах, ограничивающего распространение тепловой волны, при высокоинтенсивном фокусированном ультразвуковом воздействии.
Материалы и методы. Объектом исследования являлись травяные лягушки (Rana Temporaria), поставляемые ООО "Профснаб". Выбор объекта был связан:
- с доступностью сосудов языка и плавательной перепонки лягушки для витальной биомикроскопии;
- с возможность витального мониторинга состояния кровотока сразу после HIFU-индуцированного воздействия;
-с эвентуальной оценкой тепловых паттернов и состояния микрогемодинамики в этих зонах.
Перед началом эксперимента лягушек наркотизировали. 10% раствор уретана в объеме 0,4 мл/100 г вводили в спинной лимфатический мешок. Животных размещали на пластине, имеющей «окно» для проходящего света, над которым аккуратно расправляли и фиксировали объект исследования.
Экспериментальная работа проведена на стенде, разработанном в лаборатории ультразвуковых технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, состоящем из излучателя Н-148 S/N 010 (компания «Sonic Concepts, Inc.», USA), генерирующего фокусированный ультразвук высокой интенсивности, с центральной частотой генерации колебаний 2,5 МГц (минимальная частота 1,4 МГц), активным диаметром 64 мм и центральным отверстием 20 мм.
Излучатель с вогнутой поверхностью, фокусировал ультразвук на расстоянии около 6,8-7 мм. Возможность фокусировки ультразвуковых колебаний в небольшой по размерам фокальной области создавало условия для локального высокоэнергетического воздействия с интенсивностью излучения до 8,2 кВт/см2 в усредненной зоне пятна до 0,6 мм без каких-либо значимых тепловых воздействий на окружающие структуры.
Установка HIFU представляет собой мобильную конструкцию конусообразной формы, обеспечивающей фокусировку акустического поля на расчетную глубину.
Для обеспечения прохождения ультразвуковых волн использовалась проводящая среда, в качестве которой применялась дегазированная вода. Она заливалась непосредственно в конусообразный контур, в верхней части которой располагался излучатель Н-148 S/N 010, а нижняя часть контура была закрыта силиконовой пленкой для обеспечения герметичности (рис.1).
Для визуальной фиксации изменений кровотока в микрососудистом русле использовали установку, состоящую из бинокулярного микроскопа (Wild M420, Швейцария) с объективом (увеличение 63×), цифровой камеры (фирмы «Basler», Германия). Обработка результатов наблюдений проводилась с помощью программного обеспечения «МультиМедиа Каталог» (Россия).
Структуру HIFU-индуцированного теплового паттерна оценивали с помощью мобильной камеры Seek Thermal Compact PRO для Android с micro-USB (Seek Thermal, USA) сразу после воздействия фокусированным ультразвуком.
После регистрации исходного кровотока на языке или плавательной перепонки лягушки (рис.2) на поверхность слизистой или кожи наносили аквагель для обеспечения плотного контакта с конусом ультразвукового излучателя. Однократная HIFU-термоабляция осуществлялась с интенсивностью 8,2 кВт см2, экспозицией 400 мс. Сразу после завершения акустического воздействия проводили витальную биомикроскопию сосудов языка, плавательной перепонки, на основании которой судили о состоянии кровотока в фокусе воздействия и перифокальных зонах.
Результаты и обсуждение. Наблюдаемые структурно-функциональные нарушения микрососудов могли быть следствием как теплового, так и механического эффектов HIFU-индуцированного воздействия. В зоне фокуса отмечали следующие биоэффекты: термодеструкция и термокоагуляция сосудистой стенки и крови, локальный разрыв, периваскулярные кровоизлияния в окружающие ткани, отек. Нарушение и остановка кровотока в микрогемоциркуляторном русле в зоне непосредственного воздействия HIFU отражается на интенсивности теплоотведения в зоне термоабляции. В перифокальных регионах отмечали области с неравномерной оптической плотностью, что, вероятно, было обусловлено нарастающим отеком на фоне частично сохраненного кровотока, уменьшения числа функционирующих капилляров. В анализируемой области диаметр артериол уменьшился на 25-28%, а венул снизился на 8%.
В результате прижизненной биомикроскопии после HIFU-индуцируемого воздействия на биообъекты можно выделить четкую зональность по состоянию кровотока: в фокусе наблюдается зона деструкция с прекращением кровотока, в перифокальной области можно выделить две зоны – с частично сохраненным кровотоком и сохраненным кровотоком. При тепловизионной регистрации также выявлена зональность HIFU-индуцируемых тепловых паттернов, свидетельствующих о формировании температурных зон при акустическом воздействии (рис.4). Овальная форма тепловизионного портрета объясняется трансформацией акустической волны в механические и тепловые эффекты. Но именно сдвиговые напряжения в гетерогенной среде порождают нелинейные динамические изменения распределения тепловой волны.
Вероятно, в зонах с частично сохраненным и сохраненным кровотоком обеспечивается необходимая теплоотдача,
что ограничивает интенсивность температурной волны и снижает риск повреждения здоровых тканей.
Вывод. Таким образом, под действием механической и тепловой составляющих при HIFU- индуцированном воздействии возникает зональность распределения кровотока с разноообразными васкулярными, периваскулярными изменениями в зоне термоабляции и перифокальных областях, что необходимо учитывать при расчете величин теплоотдачи и теплопроведения при терапевтическом воздействии высокоинтенсивным фокусированным ультразвуком.
Список литературы
1.
Maloney E., Hwang J.H. Emerging HIFU applications in cancer the rapy//Int. J. Hyperthermia.- 2015.- Vol.31, N3.- P.302-309. doi: 10.3109/02656736.2014.969789.
2.
Jenne J.W., Preusser T., Günther M. High-intensity focused ultrasound: principles, therapy guidance, simulations and applications//Z. Med. Phys. -2012.- Vol. 22, N4.- P.311-322. doi: 10.1016/j.zemedi.2012.07.001.
3.
Napoli A., Anzidei M., Ciolina F., Marotta E., Cavallo Marincola B., Brachetti G., Di Mare L., Cartocci G., Boni F., Noce V., Bertaccini L., Catalano C. MR-guided high-intensity focused ultrasound: current status of an emerging technology// Cardiovasc. Intervent. Radiol. -2013.- Vol.36, N5.- P.1190-1203. doi: 10.1007/s00270-013-0592-4.
4. Грызунов В.В., Осипов А.С. Основы клинической патофизиологии. – СПБ.: Политех-Пресс,2020. – 239 с.
