БЮЛЕТЕНЬ

УДК 615. 849. 19: 53. 08: 616. 831- 018

Измерение ослабления излучения гелиево-неонового лазера
в тканях головного мозга

Русина Т.В., Дец С.М., Мельник И.С., Денисов Н.А., Розуменко В.Д.

Национальный технический университет Украины "КПИ",
Институт нейрохирургии им. акад. А. П. Ромоданова АМН Украины,
г. Киев, Украина

Ключевые слова: биоткани головного мозга, эффективная глубина проникновения излучения, многоканальный волоконно-оптический зонд, изотропный излучатель, фотодинамическая терапия.

Введение. Одним из наиболее важных вопросов клинической нейроонкологии при планировании процессов лазерной внутритканевой термотерапии, особенно фотодинамической терапии (ФДТ), при опухолях головного мозга является оценка распределения полей облученности внутри биоткани. Это в первую очередь касается внутримозговых глубинно расположенных опухолей. Для такой локализации опухолей или при их объеме, превышающем 1 см³, для малоинвазивного хирургического и терапевтического вмешательств в нейрохирургии наибольший интерес представляет внутритканевое (интерстициальное) облучение биотканей. Успешность лечения в значительной степени зависит от правильного определения дозы излучения, необходимой для воздействия на весь объем опухоли. Дополнительным условием является необходимость обезопасить прилегающие к опухоли нормальные ткани от поражения в процессе лечения.

Для большинства биотканей головного мозга характерным является их негомогенность и значительное кровенаполнение. Относительный кровоток в коре головного мозга составляет 0,007-0,02 с^-1, что в 3-3,5 раза больше, чем в коже, и в 10-15 раз больше, чем в мышечной ткани. При этом оптические свойства образцов тканей головного мозга in vivo разнятся от оптических свойств, полученных при измерениях in vitro или post mortem образцах [1- 4]. Большинство исследований на биотканях головного мозга проводилось либо косвенными измерениями in vitro при внешнем облучении тонких образцов биоткани с использованием тех или иных моделей распространения излучения в биотканях [5, 6], либо прямыми измерениями в больших объемах биоткани in vivo (или post mortem) с использованием преимущественно внутритканевого облучения [7-10]. По мнению авторов, для клинической практики представляют интерес прямые in vitro измерения оптических свойств биотканей головного мозга на достаточно малоразмерных образцах (до 5 см³), получаемых в процессе необходимого хирургического вмешательства. Настоящая работа посвящена исследованиям биотканей головного мозга на длине волны излучения гелиево-неонового лазера (L_и=633 нм), которая лежит вблизи максимума поглощения фотосенсибилизатора Фотофрина (L_п = 630 нм), наиболеее широко применяемого в клинической практике фотодинамической терапии.

Материал и методы. Материал исследования включал 14 образцов биологических тканей (из них 6 образцов нормальной ткани мозга и 8 образцов глиом), полученных при проведении хирургического вмешательства. В измерительную лабораторию образцы доставлялись погруженными в изотонический раствор натрия хлорида.

Временной интервал между изъятием образца биоткани и его исследованием не превышал 90 мин (в среднем 78,9 мин). Продолжительность полного цикла измерений каждого образца не превышала 15 мин. Таким образом, выполнялось необходимое для корректности измерений in vitro условие минимизации вклада дегидратации биоткани на стабильность ее оптических параметров, а именно t < 110 мин. В пределах этого временного интервала при исследованиях, проводимых на сухом образце (в воздухе), пропускание биоткани увеличивается на 1,6%, а отражение от биоткани снижается на 4,3% от их первоначальных значений [3]. С учетом приведенных изменений оптических параметров дегидратированной биоткани результирующее уменьшение эффективной глубины проникновения излучения, рассчитываемое в соответствии с законом Бэра [11], составляет 1%.

Измерения выполняли на специально разработанной измерительной установке, блок-схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема установки для измерения оптических параметров биотканей прямым методом

Основным элементом указанной установки является оригинальный многоканальный оптико-волоконный зонд МОЗ-С (НТУУ "КПИ", Киев, Украина) [12], который включал 8 приемных изотропных волоконных зондов, размещенных по спирали вокруг центрального изотропного волоконного излучателя с равным шагом D=0,5 мм друг от друга. Приемные изотропные зонды, также как и изотропный излучатель, изготавливали приклеиванием шарика из рассеивающего материала (молочного стекла МС20) к торцу волоконного световода оптическим клеем ОК-50 [13]. Диаметр изотропных приемных и излучающего зондов был 0,3 мм и 0,5 мм соответственно. Анизотропия зондов составляла менее 5% в диапазоне углов ± 150^o. В качестве транспортирующих световодов использовались волоконные световоды с диаметрами сердцевины и оболочки 0,12 мм и 0,132 мм соответственно (CeramOptec GmbH, Бонн, Германия). На расстоянии 1 мм от последнего изотропного приемного зонда все транспортирующие волокна были склеены между собой эпоксидным клеем таким образом, что наружный диаметр результирующего монолитного участка зонда не превышал 0,9 мм. После этого многоканальный оптико-волоконный зонд МОЗ-С вводился в канал иглы (диаметром 1,0 мм), которая, в свою очередь, крепилась в держателе. Излучение гелиево-неонового лазера ЛГН-60 (НВП "Украина", Львов, Украина) мощностью 10 мВт вводилось с помощью линзового объектива в центральный волоконный излучатель. Приемные изотропные волоконные зонды были согласованы с многоканальным анализатором МАI-1 (НТУУ "КПИ", Киев, Украина), который через предусилитель и cпециальный интерфейс был сопряжен с персональным компьютером DX-386-40. Время единичного измерения с регистрацией сигнала составляло 10 мс.

Перед проведением измерений на образцах биотканей многоканальный оптический зонд калибровался с использованием плоского диффузного экрана. При этом для устранения несоответствия в показателях преломления при калибровке и измерениях диффузный экран и игла с зондом погружались в емкость, заполненную водой [14], показатель преломления которой (n=1,33) близок к показателям преломления большинства исследуемых биологических тканей. Центральный волоконный излучатель располагался перпендикулярно экрану и вводился в контакт с ним. Регистрируемый сигнал обрабатывался и сравнивался с его теоретическим значением, рассчитанным по формуле:

, (1)

где Ф - регистрируемый поток излучения, Вт; L - лучистость излучателя, Вт/м²*ср; R1 и R2 - радиусы диффузного экрана и приемного изотропного зонда, мм; l - расстояние между экраном и центром сферы каждого из приемных изотропных зондов, мм.

При калибровке многоканального волоконно-оптического зонда МОЗ-С дополнительно учитывалось ослабление регистрируемого сигнала из-за экранирования приемных изотропных зондов друг другом и волоконными световодами [15].

Результаты и их обсуждение. Игла с многоканальным волоконно-оптическим зондом вводилась образец биоткани приблизительно на половину его толщины. Для устранения влияния негомогенности образцов биоткани проводилось по 8 измерений каждого образца, при этом ориентация волоконно-оптического зонда в горизонтальной плоскости изменялась с шагом 45^o [16]. Среднее значение интенсивности регистрируемого сигнала по 8 измерениям, скорригированное с учетом калибровочного коэффициента Кс, использовалось для определения ослабления излучения в исследуемых образцах и для расчета эффективной глубины проникновения излучения в биоткань:

, (2)

где Ф1 и Ф (х) - соответственно потоки излучения, регистрируемые ближайшим к излучателю приемным изотропным зондом и любым другим, отстоящим от него на расстояние х.

Эффективная глубина проникновения излучения приведена в табл. 1.

Тип биоткани

Эффективная глубина проникновения излучения в биоткань, мм

in vivo

in vitro (post mortem)

[8]*

[7]*

авторы*

[5]**

[11]**

[6]**

[10]*

[9]*

630

630

633

633

633

630

660

660

1,1-2,1

2,7-4,5

1,2

0,8-1,43

0,86

2,4

0,7

0,93

1,1

1,3

1,5-4,5

4,2

1,2-2,6

2,11

1,5

0,75

1,8

1,35

Полученные в настоящей работе значения эффективной глубины проникновения излучения длиной волны 633 нм в ткани головного мозга человека (белое вещество, серое вещество и неклассифицированная глиома) находятся в хорошем соответствии с результатами [9,10], полученными аналогичным методом (внутритканевые in vitro прямые измерения), но при значительном объеме (250 см³) исследуемой биоткани. Данные прямых измерений показывают для различных опухолевых тканей головного мозга (глиома, глиобластома, астроцитома, менингиома) превышение эффективной глубины проникновения излучения по сравнению с нормальными тканями в 1,5-2,5 раза. Аналогичное соотношение наблюдалось и в наших измерениях. Полученные в работе результаты также соответствуют данным прямых in vivo измерений [5, 6], с учетом экспериментально полученных для длины волны излучения 630 нм отношений эффективных глубин проникновения излучения в биоткани мозга при измерениях post mortem к измерениям in vivo, а именно в диапазоне 0,7 - 1,1 [1, 2]. Такое отличие результатов измерений in vitro по сравнению с таковыми in vivo измерениями обусловлено как различием в кровенаполнении между образцом биоткани и живой тканью, так и содержанием кислорода в крови. Кроме того, конечный размер малых образцов биотканей вызывает более значительное ослабление излучения, чем в больших образцах, что обусловлено выходом части излучения через боковые поверхности образца [17].

Данные косвенных измерений [5, 6, 11] существенно отличаются как от полученных авторами, так и от других результатов прямых измерений. Кроме того, следует отметить, что эти данные в значительной степени отличаются и друг от друга, за исключением данных для серого вещества головного мозга. Причиной такого несоответствия может служить, во-первых, предварительное замораживание образца биоткани (до -18^o С) с последующим его "оттаиванием" при комнатной температуре [11], и, во-вторых, то, что, учитываемое при косвенных измерениях на тонких образцах биотканей однофотонное рассеивание в недостаточной степени коррелируется с механизмом многократного рассеивания, свойственного преимущественно рассеивающим средам, к которым относятся и биоткани головного мозга. С учетом того, что оптические свойства различных типов опухолевых тканей также существенно отличаются друг от друга [8, 9, 11], то, по мнению авторов, для корректности измерений их оптических параметров необходима точная классификация типа опухолевой ткани при взятии образца биоткани.

Заключение. Несмотря на достаточно высокую дисперсию эффективной глубины проникновения для опухолей головного мозга, с учетом имеющего место статистически значительного отличия в оптических свойствах опухолей по сравнению с нормальными тканями, представляется возможным достижение селективного воздействия на опухолевые ткани на длине волны излучения 633 нм. При этом, благодаря значительной разнице в глубине проникновения излучения, снижается риск повреждения белого и серого вещества мозга из-за непреднамеренного их облучения.

Для целей фотодинамической терапии, а именно для точной дозировки излучения, необходимо исследовать как in vitro, так и in vivo, оптические свойства (поглощающую способность и эффективную глубину проникновения излучения) опухолевых тканей с селективно накопленными в них фотосенсибилизаторами. Такие препараты должны иметь максимум поглощения в исследуемом спектральном диапазоне для повышения поглощающей способности опухолевых тканей. Благодаря фотохимическому взаимодействию повышается селективность воздействия излучения на опухолевую ткань. Предложенная методика измерений оптических параметров биологических тканей в малых объемах образцов (до 5 см³), по мнению авторов, имеет преимущество по сравнению с другими методами in vitro измерений, а многоканальный изотропный волоконно-оптический зонд МОЗ-С может быть применен и для прямых in vivo измерений как на стадии планирования процесса фотодинамической терапии, так и для интраоперационного контроля за дозой оптического излучения, поглощенной тканями головного мозга.

Список литературы

1. Wilson B. C., Jeeves W. P., Lowe D. M. In vivo and post mortem measurements of the attenuation spectra of light in mammalian tissues // Photochemistry and Photobiology, vol. 42, N 2, pp.153-162, 1985.

2. Whitehurst C., Pantelides M. L., Moore J. V., King T. A., Blacklock N. J. In vivo to post mortem change in tissue penetration of red light // Lasers in Medical Science, vol. 5, pp. 395-398, 1990.

3. Chambettaz F., Marquis-Weible F., Salathe R. P. Effect of dehydratation on optical properties of tissue // SPIE Proceedings, vol. 1646, Laser-Tissue Interaction, pp. 383-390, 1992.

4. Cheong W. F., Prahl S. A., Welch A. J. A review of the optical properties of biological tisuues // IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, N 12, pp.2166-2185. 1990.

5. Splinter R., Cheong W. F., van Gemert M. J. C., Welch A. J. In vitro optical properties of human and canine brain and urinary bladder tissues at 633 nm // Lasers Surg. Med., vol. 9, pp. 37-41, 1989.

6. Sterenborg H. J. C. M., van Gemert M. J. C., Kamphorst W., Wolbers J. G., Hogervorst W. The spectral dependence of the optical properties of human brain // Lasers Surg. Med., vol. 4, pp. 221-227, 1989.

7. Wilson B., Muller P. J., Yanche J. C. Instrumentation and light dosimetry for intraoperative photodynamic therapy (PDT) of malignant brain tumors // Phys. Med. Biol., vol.31, pp. 125-133, 1986.

8. Muller P. J., Wilson B. An update on the penetration depth of 630 nm light in normal and malignant human brain tissue in vivo // Phys. Med. Biol., vol.31, pp.1295-1297, 1986.

9. Svaasand L. O., Elingsen R. Optical penetration in human intracranical tumors // Photochemistry and Photobiology, vol. 41, pp.73-76, 1985.

10. Svaasand L. O., Elingsen R. Optical properties of human brain // Photochemistry and Photobiology, vol. 38, pp.293-299, 1983.

11. Eggert H. R., Blazek V. Optical properties of human brain tissue, meninges, and brain tumors in the spectral range of 200 to 900 nm // Neurosurgery, vol. 21, N 4, pp.459-464, 1987.

12. Мельник І. С., Богачков М. І., Русина Т. В., Дец С. М., Кравченко І. В. Фотометр. Патент України 14630 А, кл. G 01 J 1/04, від 20.01.1997.

13. Melnik I. S., Kravchenko I. V. Small isotrope probes for in vivo measurements of fluence rate // SPIE Proceedings, vol. 2323, Laser Interaction with Hard and Soft Tissue II, pp. 70-80, 1994.

14. Marijnissen J. P. A., Star W. M. Quantitative light dosimetry in vitro and in vivo // Lasers Med. Sci., vol. 2, pp. 235-242, 1987.

15. Moes C. J. M., van Gemert M. J. C., Star W. M., Marijnissen J. P. A., Prahl S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm // Applied Optics, vol. 28, N 12, pp.2292-2296, 1989.

16. Hebeda K.M., Menovsky T., Beek J.F., van Gemert M.J.C. Direction-dependent penetration of red light in white matter of the brain // SPIE Proceedings, vol. 2077, pp. 213-214, 1993.

17. Melnik I. S., Dets S. M., Rusina T. V. Light propagation in tissues: effect of finite size of tissue sample // SPIE Proceedings, vol. 2626, 1995.

Вимірювання ослаблення випромінювання гелієво-неонового лазера
в тканинах головного мозку

Русина Т.В., Дец С.М., Мельник І.С., Денисов М.О.,
Розуменко В.Д.

Дослідження оптичних властивостей біотканин головного мозку проведено на біоптичному матеріалі (3 - біла речовина мозку, 3 - сіра речовина мозку, 8 - тканина гліоми). Дослідження проводили прямим методом на спеціально розробленому вимірювальному приладі із застосування гелієво-неонового лазера (довжина хвилі випромінювання 633 нм). Усереднені для кожного типу біотканин розрахункові значення ефективної глибини проникнення випромінювання склали 0,86, 0,93 та 2,11 мм для білої, сірої речовини мозку та тканини гліоми відповідно.

Measurements of fluence rate of He-Ne laser in the human brain

Rusina T.V., Dets S.M., Melnik I.S., Denisov N.A.,
Rozumenko V.D.

Optical properties of the human brain were investigate on the 14 tissue samples (3 white matters, 3 grey matters and 8 gliomas) with small volume (less then 5 cm3). The study was made by the direct method on the experimental set-up with He-Ne laser as a illuminator (wavelength - 633 nm). The mean penetration depth values were 0,86 mm, 0,93 mm and 2,11 mm for the normal brain tissues (white matter and grey matter) and cancerous tissues (glioma), respectively.