Лазерная обработка хондромаляции суставного хряща

ВВЕДЕНИЕ

При выполнении артроскопического лечения коленного сустава по поводу гонартроза перед оперирующим хирургом часто, среди прочего, стоит задача обработки очагов хондромаляции на поверхности суставного хряща. Целью такой обработки является восстановление формы суставного хряща и снижение темпов прогрессирования хондромаляции в очаге.

Обработка суставного хряща может осуществляться различными типами инструментов (механические, холодноплазменные, лазерные).

Механические инструменты при артроскопической санации коленного сустава позволяют успешно удалять костные разрастания, массивные гипертрофические участки тканей. Однако при обработке суставного хряща применение механических инструментов избыточно травматично, их использование также затруднено в узких местах сустава [1].

При обработке холодноплазменными инструментами трудно контролировать степень абляции и коагуляции, что может приводить к избыточным повреждениям, как суставного хряща, так и субхондральной кости [2].

При лазерной обработке хряща существует техническая возможность достаточно точного дозирования воздействия излучения. Это позволяет производить лазерную обработку строго определенных участков хряща в строго определенной степени, без повреждения тканей, находящихся за пределами обрабатываемой области [3].

Лазерное излучение также способно стимулировать регенерацию хряща за счет процессов, связанных с его воздействием. Запуск регенеративных процессов происходит по механизму механобиологии в результате стимуляции хрящевой ткани лазероиндуцированными гидродинамическими процессами, связанными с кипением внутритканевой жидкости [4–17], а также из-за образования в ткани многочисленных микропор, появившихся вследствие образования при нагреве пузырьков ранее растворенных во внутритканевой жидкости газов [18][19].

Таким образом, использование лазерного излучения для обработки очагов хондромаляции в ходе артроскопических операций обладает следующими преимуществами, по сравнению с другими способами воздействия: меньшая вероятность сопутствующих ятрогенных повреждений суставного хряща за счет дозированности воздействия; способность лазерного излучения стимулировать регенерацию суставного хряща.

Ранее были опубликованы результаты экспериментов in vivo, проводившихся на суставных хрящах и субхондральной кости животных (кроликов, свиней), целью которых было определение параметров лазерного излучения, наиболее подходящих для обработки очагов хондромаляции суставного хряща. Наилучшие результаты по восстановлению формы хряща и стимуляции его регенерации были получены при использовании излучения с длиной волны λ = 0,97 мкм (при мощности до 20 Вт), а также излучения с длиной волны λ = 1,55 мкм (при мощности до 15 Вт) [20][21].

С целью уменьшения инвазивности хирургического вмешательства, улучшения качества обработки и усиления эффекта стимулирования регенерации хряща было принято решение объединить излучения с длинами волн 0,97 и 1,55 мкм в одном луче, что, предположительно, должно было позволить уменьшить рабочую суммарную мощность используемого излучения.

Целью настоящей работы являлся подбор оптимальных параметров двухволнового лазерного излучения, для артроскопической обработки очагов хондромаляции суставного хряща.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Был использован двухволновой волоконный лазерный аппарат ЛСП – «ИРЭ-Полюс» (НТО «ИРЭ-Полюс», Россия) с длинами волн излучения λ = 0,97 мкм (с мощностью до 30 Вт) и λ = 1,55 мкм (с мощностью до 15 Вт) и прямым выводом излучения через кварц-кварцевый световод с диаметром светонесущей жилы 600 мкм.

Кроме этого в экспериментах был использован двухволновой волоконный лазерный аппарат «УРОЛАЗ» (НТО «ИРЭ-Полюс», Россия) с длинами волн излучения λ = 1,94 мкм (с мощностью до 120 Вт) и λ = 1,55 мкм (с мощностью до 15 Вт) и прямым выводом излучения через кварц-кварцевый световод с диаметром светонесущей жилы 600 мкм.

В качестве объектов воздействия были использованы образцы суставных хрящей мыщелков бедренной кости человека с очагами хондромаляции, взятые во время операции по тотальному эндопротезированию коленного сустава, а также образцы суставных хрящей быка.

Воздействие производили в среде изотонического 0,9%-ного раствора NaCl для моделирования условий, соответствующих артроскопической операции.

На образцах суставных хрящей быка с помощью скальпеля проделывали сквозные надрезы. Края образовавшихся дефектов обрабатывались с помощью лазерного излучения. Для обработки использовали излучение с разными длинами волн и мощностями.

По завершении лазерной обработки образцов хрящей, с целью определения зоны термического воздействия, образцы окрашивали раствором нитросинего тетразолия хлорида (NBT).

Образцы суставных хрящей мыщелков бедренной кости человека с очагами хондромаляции подвергали воздействию импульсно-периодического двухволнового (1,55 мкм / 5 Вт и 0,97 мкм / 3 Вт) лазерного излучения с длительностью импульсов 100 мс и паузой 50 мс. Расстояние от торца световода до поверхности хряща составляло 2 мм. Длительность воздействия составляла 2 с. Далее из образцов по общепринятой методике были изготовлены микропрепараты, которые были окрашены гематоксилином и эозином. Окрашенные микропрепараты просматривали на цифровом сканирующем микроскопе 3DHistech Pannoramic 250 flash (Zeiss Connecting Solutions, Германия).

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 показаны образцы суставного хряща быка, обработанные двухволновым лазерным воздействием с параметрами 1,94 мкм / 10 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт и 0,97 мкм / 20 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт.

На рисунках видно, что картины лазерного воздействия для двух используемых режимов существенно различаются. На левой половине хрящевой ткани, обработанной в режиме (1), происходит макроскопически видимая карбонизация хряща. А на правой половине хряща, обработанной в режиме (2), края дефекта сглажены и имеют округлую форму. Разница в размерах зоны термического воздействия хрящевой ткани между областями, обработанными при режимах (1) и (2), отчетливо видна после окрашивания раствором NBT (рис. 1б).

Выполненное по этой же схеме воздействие излучением с длиной волны λ = 1,94 мкм вызывало карбонизацию хрящевой ткани даже при сравнительно небольшой мощности в 10 Вт. На основании этого было принято решение в дальнейших экспериментах отказаться от использования излучения с λ = 1,94 мкм.

На рисунке 2 показаны образцы суставного хряща быка, обработанные двухволновым лазерным воздействием с параметрами 0,97 мкм / 15 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт и 0,97 мкм / 20 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт.

Из рисунка 2 видно, что при воздействии данной комбинацией длин волн лазерного излучения видимой (макроскопически) карбонизации хрящевой ткани не возникает. Однако в процессе обработки в режиме (2) «оплавление» краев дефекта хряща происходило значительно быстрее, чем при обработке в режиме (1). После окрашивания раствором NBT хорошо видна зона термического воздействия, одинаковая для обоих режимов лазерного излучения.

На рисунке 3 показаны образцы суставного хряща быка, обработанные двухволновым лазерным воздействием с параметрами 0,97 мкм / 15 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт, 0,97 мкм / 20 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт и 0,97 мкм / 30 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт.

Из рисунка 3 видно, что при обработке лазерным излучением в режиме (3) видимой (макроскопически) карбонизации хрящевой ткани также не возникало. Однако при обработке в режиме (3) «оплавление» краев дефекта хряща происходило еще быстрее, даже по сравнению с режимом (2). После окрашивания раствором NBT хорошо видна зона термического воздействия (рис. 3б).

Предыдущие эксперименты показали, что используемые параметры лазерного излучения приводят к образованию слишком обширной зоны термического воздействия, для того чтобы можно было эффективно применять их во время артроскопических операций на суставном хряще. В связи с этим был проведен ряд экспериментов с использованием лазерного излучения с меньшими, но достаточными для «сглаживания» суставной поверхности мощностями. Кроме этого, было проведено исследование с использованием импульсно-периодических и непрерывных режимов излучения.

В результате экспериментов было установлено, что минимальная мощность, при которой достигается «сглаживание» суставной поверхности, при воздействии двухволнового импульсно-периодического (c длительностями импульса / паузы: 100 мс / 50 мс) лазерного излучения составляет 5 Вт для λ = 1,55 мкм и 3 Вт для λ = 0,97 мкм.

На рисунке 4 показан образец суставного хряща быка, обработанный различными вариантами двухволнового лазерного излучения после окраски раствором NBT.

На рисунке 4 видно, что при обработке хрящевой ткани лазерным излучением в режиме (12), когда оба сочетаемых излучения были импульсно-периодическими с длительностью импульсов 100 мс и паузой 50 мс, зона термического воздействия имела значительно меньшие размеры по сравнению с режимами (10) и (11), при которых одно из сочетаемых излучений было непрерывным, а второе – импульсно-периодическим с длительностью импульсов 100 мс и паузой 50 мс.

Следующие результаты получены при исследовании образцов суставных хрящей мыщелков бедренной кости человека с очагами хондромаляции, взятых в процессе тотального эндопротезирования коленного сустава.

При гистологическом исследовании очаги хондромаляции до лазерного воздействия были представлены суставными поверхностями, покрытыми гиалиновым хрящом «шероховатого» серовато-желтого цвета. Микроскопически поверхность хряща неровная, неравномерной толщины с ворсинчатыми образованиями, трещинами, проникающими до нижней трети поверхностной зоны. В участках повреждения поверхностной зоны хондроциты не определялись. Наблюдалась метахромазия с видимой вертикальной волокнистостью межклеточного матрикса. В средней и нижней зонах гиалинового хряща микроскопическое строение было без патологических изменений. Хондроциты располагались группами, в лакунах. Линия минерализации, субхондральная костная пластинка были без особенностей.

При гистологическом исследовании образцов хрящевых участков человека с признаками хондромаляции после воздействия лазерного излучения параметрами 1,55 мкм / 5 Вт и 0,97 мкм / 3 Вт (100 мс / 50 мс) признаков деструкции в виде карбонизации и механического повреждения не было обнаружено. Суставная поверхность хряща была гладкая. Отсутствовали ворсинчатые структуры, трещины. Толщина хряща уменьшилась, что, вероятно, связано с так называемым эффектом выпаривания межклеточной жидкости [5]. Хондроциты расположились неравномерно, в том числе наблюдались и отдельно лежащие хрящевые клетки, вне групп и лакун. Группы хондроцитов, преимущественно поверхностной зоны, образовывали более тесные скопления, т. е. располагались более плотно, ближе друг к другу. В поверхностной зоне были обнаружены хондроциты вытянутой формы с гиперхромным ядром, увеличением ядерно-плазматического индекса (рис. 5).

Таким образом, импульсно-периодическое (100 мс / 50 мс) двухволновое лазерное излучение 1,55 мкм / 5 Вт + 0,97 мкм / 3 Вт при воздействии в течении 2 с на суставном хряще расстояния 2 мм в среде изотонического 0,9%-ного раствора NaCl позволяет добиться достаточного хирургического результата за счет сглаживания поверхности суставного хряща без термической деструкции хондроцитов.

ОБСУЖДЕНИЕ

Воздействие излучения с длиной волны λ = 1,94 мкм вызывало карбонизацию хрящевой ткани даже при сравнительно небольшой мощности в 10 Вт. На основании этого было принято решение отказаться от использования излучения с λ = 1,94 мкм в дальнейших экспериментах.

При обработке хряща двухволновым излучением с длинами волн λ = 0,97 мкм и λ = 1,55 мкм наивысшая скорость «оплавления» краев дефекта соответствовала режиму 0,97 мкм / 30 Вт + 1,55 мкм / 15 Вт, а зона термического воздействия, визуализировавшаяся при окраске препаратов раствором NBT, была такой же, как и у излучений с меньшей мощностью.

Однако отсутствие видимой без дополнительного увеличения карбонизации не означает ее полного отсутствия, а визуализированная за счет окраски NBT зона термического воздействия хотя и сравнительно невелика, но все же заметно больше обрабатывавшегося дефекта. В связи с этим был предпринят ряд дальнейших экспериментов с меньшими мощностями.

Минимальная мощность, при которой достигался достаточный хирургический эффект при воздействии двухволнового импульсно-периодического (100 мс / 50 мс) лазерного излучения, составила 5 Вт для λ = 1,55 мкм и 3 Вт для λ = 0,97 мкм.

При гистологическом исследовании хрящей из участков хондромаляции, обработанных лазерным излучением 1,55 мкм / 5 Вт и 0,97 мкм / 3 Вт (100 мс / 50 мс), отсутствовали признаки термической деструкции гиалинового хряща, отмечено уменьшение толщины хряща за счет снижения объема межклеточного вещества без существенного повреждения хондроцитов.

ВЫВОДЫ

Оптимальной комбинацией при воздействии в среде физиологического раствора лазерным излучением на хрящевую ткань, обеспечивающей восстановление формы суставного хряща, является сочетанное воздействие излучений λ = 0,97 мкм при мощности 3 Вт и λ = 1,55 мкм при мощности 5 Вт с расстояния 1–2 мм в течении 2 с.

БЛАГОДАРНОСТИ И ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена при частичной поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части развития лазерных технологий.