OŠTEĆENJA BUBREŽNIH I ŽUČNIH KAMENACA NASTALA DEJSTVOM RAZLIČITIH VRSTA LASERSKIH SNOPOVA

Vera Šijački Žeravčić 1, Ana Šijački 2, Dragan Družijanić 3, Vladan Ćosović 4,

Gordana Bakić1, Milan Trtica 5, Zoran Ristić 5, Viktor Popović6, 1Mašinski fakultet, 27 marta 80, Beograd, 2Klinika , 3″Moma Stanojlović″Batajnica, 4IHTM,

5Institut za nuklearne nauke, Vinca, 6Elektro-tehnički fakultet Abstrakt - U radu je analizirana primena lasera u otklanjanju kamenaca iz humanih organizama. Za nekoliko različitih vrsta kamenaca koji potiču iz bubrega i žuči ljudskih organizama in vitro je izvršena serija eksperimenata, u kojima su oni izlagani snopovima Nd3+: YAG i CO2 lasera. UVOD

Na interakciju lasersko zračenje - tkivo utiču lokalne osobine tkiva od kojih su najznačajnije: gustina, stepen transparentnosti (količina pigmenata), sadržaj vode i prokrvljenost tkiva. Sa porastom gustine ili netransparentnosti tkiva raste stepen apsorpcije zračenja, kao i stepen njegove transformacije u toplotu.

Teorijska dubina prodiranja laserskog zračenja u određeno tkivo je direktno proporcionalna njegovoj talasnoj dužini, dok je svarna dubina prodiranja u funkciji njegove apsorpcije od strane tkiva [1]. Tako npr. Nd3+: YAG laser, daje zračenje u bliskoj infracrvenoj oblasti (1060 nm) koje prodire do dubine od ∼ 5-10 mm u većinu tkiva, jer ga ne apsorbuju ni hemoglobin ni voda u nekoj značajnijoj količini. S druge strane, CO2 lasersko zračenje sa talasnom dužinom od 10600 nm prodire samo do dubine manje od 0,1 mm, pošto ga vrlo snažno apsorbuje voda iz tkiva. Generalno, lasersko zračenje i humano tkivo međusobno interaguju na veoma kompleksan način, koji je funkcija stepena apsorpcije, dubine prodiranja, refleksije i rasejanja zračenja. EFEKTI INTERAKCIJE LASERSKO ZRAČENJE - TKIVO

Primena lasera u medicini je zasnovana na 4 različita efekta zračenja i to: termičkom, mehaničkom, fotohemijskom i efektu zavarivanja tkiva (u funkciji termičkog efekta).

Najčešće se koristi termički efekat, jer se energija zračenja apsorbuje i transformiše u toplotu, što za posledicu ima: denaturaciju proteina na 42-65°C, skupljanje (sušenje) arterija i vena na 70°C i ćelijsku dehidrataciju na 100°C. Kada voda kompletno ispari iz tkiva dolazi do naglog porasta njegove temperature, karbonizacije na 250°C, i prelaza u parnu fazu na 300°C.

Mehanički efekat se javlja kada se na površinu npr. urinarnog kamenca usmeri snop velike gustine snage, pri čemu se na samoj površini velikom brzinom oslobađaju elektroni. Ovim se stvaraju ″mehurovi″ plazme koji brzo ekspandiraju i deluju kao zvučni talas koji razara kamen duž frakturnih linija [2].

Fotohemijski efekat se zasniva na selektivnoj aktivaciji specifičnog molekula određenim zračenjem, pri čemu dolazi do

njegove transformacije u komponentu koja može biti i toksična i može da prouzrokuje ćelijsku smrt zbog destrukcije DNA poprečnih veza.

Efekat zavarivanja tkiva se izvodi fokusiranjem specifične vrste zračenja, da bi se indukovalo poprečno vezivanje kolagena. Dodatkom proteinskog materijala, tj. 50% humanog albumina poznatog i kao ″tkivni lem″, direktno na ivice tkiva koje se zavaruje dolazi do njegove apsorpcije, čime se postiže povećanje zatezne čvrstoće i smanjenje periferne destrukcije. PRIMENA NEKIH VRSTA LASERA U MEDICINI

Generalno, različite vrste lasera se u medicini koriste za različite svrhe: • za mekotkivne incizije koriste se Ho:YAG laser,

Nd3+:YAG laser ili KTP laser • za resekcije i ablaciju koriste se Nd3+:YAG laser, Ho:YAG

laser, KTP:YAG laser, ili CO2 laser • za litotripsiju (bubrežnih, ureternih, iz bešike i žučnih

kamenaca) koristi se Ho:YAG laser, dye laser u impulsnom režimu ili aleksandritni laser

• za zavarivanje tkiva koriste se KTP laser, Nd3+:YAG laser ili CO2 laser CO2 laser. Ovaj tip lasera emituje zračenje u

″nevidljivom″ dalekom infracrvenom području EM spektra sa talasnom dužinom od 10600 nm. Obično je udružen sa vidljivim He-Ne zračenjem kao vođenjem. Ovo zračenje snažno apsorbuje voda pa njegovom primenom dolazi do isparavanja vode iz tkiva bogatih vodom do dubine manje od 1 mm. Zbog provođenja toplote dolazi i do termičke koagulacije tkiva do dubine od ∼ 0,5 mm.

Neodim: itrijum – aluminijum - granat laser poznat i kao Nd3+:YAG laser je danas u velikoj upotrebi zbog svojih osobina kao što su efikasnost, optički kvalitet i velika termička provodljivost, koja dozvoljava veliku brzinu repeticije impulsa, a može da radi u kontinualnom i impulsnom (često u Q-switch) režimu. Talasna dužina od 1064 nm može relativno duboko da penetrira i do 10 mm pošto je njena frekvencija izvan apsorpcionog pika i hemoglobina i vode. Ima dobre hemostatske osobine (koaguliše krvne sudove do 5 mm u prečniku) i osobine rezanja pa je podesan za litotripsiju kada je u Q-switch režimu. Optičko vlakno služi za prenos i može da prođe kroz sve vrste endoskopa. Safirni ili kristalni vrh može takođe da se koristi kao završetak optičkog vlakna, koji smanjuje rasipanja i obezbeđuje vrlo precizno rezanje tehnikom direktnog kontakta.

Aleksandritni laser emituje zračenje talasne dužine u intervalu 380-830 nm, s tim što je najintenzivniji u intervalu 700-830 nm. Ovo zračenje dobro apsorbuje melanin zbog čega

Zbornik radova XLVIII Konf za ETRAN, Čačak, 6-10 juna 2004, tom III Proc. XLVIII ETRAN Conference, Čačak, June 6-10, 2004, Vol. III

277

se koristi za obradu rana i isecanje (eksciziju). Sa 1-ms impulsnim režimom prosleđenim preko optičkog vlakna koristi se za litotripsiju pigmentiranih kamenaca.

Holmijum:YAG (Ho:YAG) laser je novijeg datuma, emituje zračenje talasne dužine od 2150 nm i obično radi u impulsnom režimu. Pregreva vodu koja slabo apsorbuje zračenje tih talasnih dužina, usled čega se stvaraju mehurići pare koji brzo ekspandiraju i destabilišu molekule koji su u kontaktu sa vrhom optičkog vlakna. Iz tih razloga su podesni za litotripsiju svih vrsta kamenaca. Dubina apsorpcije u tkivo je 1-2 mm sve dotle dok se nalaze u vodom bogatoj sredini.

Dye laser. Talasne dužine zračenja koje emituje dye laser zavise od vrste medijuma koji se koristi, zbog čega pokriva širok spektar vidljive svetlosti. Pri radu u impulsnom režimu ovaj laser se koristi za litotripsiju i ablaciju vaskularnih lezija. Najčešće upotrebljavani medijum kod dye lasera je kumarin koji daje zračenje talasne dužine od 504 nm.

Kalijum-titanil-fosfat kristal laser, poznat i kao KTP laser [1,3], daje zeleni vidljivi svetlosni snop talasne dužine od 532 nm kao udvojenu frekvencu Nd3+:YAG lasera (1064 nm) kroz KTP kristal koji udvostručava njegovu frekvenciju, odnosno smanjuje talasnu dužinu na polovinu vrednosti. Ovo zračenje ima manju dubinu prodiranja od Nd3+:YAG zračenja ne samo zbog manje talasne dužine, već i zbog njegove apsorpcije od strane hemoglobina. Koristi se za incizije, resekcije i ablaciju.

Freddy laser (Frequency-Doubled Dual Pulse Nd:Yag) je najnoviji tip lasera, koji je promovisan u SAD za uklanjanje kamenaca, posebno uspešno žučnih i urinarnih. Nasuprot tradicionalno korišćenom holmijum laseru, Freddy laser je dizajniran da proizvede laserske impulse koji fragmentiraju žučni kamenac na visoko fokusiran i efikasan način, bez termičkog uticaja, a da pri tome ne izazovu ni perforaciju ni koagulaciju tkiva. Preko tankog optičkog laserskog vlakna, koje je ubačeno u radnu kolonu endoskopa, se prenose veoma kratki impulsi do kamenca. Kada pod dejstvom udarnih talasa dođe do fragmentacije kamenca, nastali delići mogu iz tela da se ekstrahuju na prirodan način. Pošto Freddy laser radi pri samo 1,2 W, tkivo suštinski nije izloženo termičkim naponima [4].

Napredak koji je poslednjih godina postignut u laserskoj i fiber optičkoj tehnologiji doprineo je da laseri postanu idealno sredstvo za ″putovanje stazama″ humanih organizama koje su neistražene rukom ili skalpelom. Upotrebom endoskopskog instrumenta malog prečnika omogućena je uspešna primena lasera, posebno u urologiji više nego u ostalim oblastima medicine.

Sastav, položaj i veličina žučnih, bubrežnih i urinarnih kamenaca direktno utiče na izbor vrste lasera i optičkog vlakna, metodu pristupa (retrogradnu ili anterogradnu), impulsni režim i izlaznu snagu. Takođe, položaj, veličina i dubina tumora i ostalih lezija utiče na izbor istih parametara [4]. ŽUČNI KAMENCI Većina žučnih kamenaca je varijanta "braon pigmentacije"; samo mali broj je čist holesterol. Osobe koje pate od hroničnog hemolitičkog poremećaja imaju predispoziciju da stvaraju čiste pigmentne kamence (bilirubinate) koji su crne boje. Veličina žučnih kamenaca može da bude veoma različita, od onih sitnih do onih čija je veličina >15 mm u prečniku [5,6].

Bubrežni kamenci i tretmani za njihovo uklanjanje

Bubrežni kamenci mogu da sadrže različite vrste soli – najčešće na bazi kalcijuma u kombinaciji sa fosfatnom ili oksalatnom komponentom. Od ostalih vrsta kamenaca poznati su struvit uzrokovan infekcijom, kamenac mokraćne kiseline i cistinski kamenci.

Danas je uklanjanje kamenaca iz ljudskog organizma, a posebno onih iz bubrega, značajno manje invazivan postupak, zbog čega se hirurške intervencije izvode na manje od 2% pacijenata. Od glavnih metoda za uklanjanje kamenaca u bubrezima mogu da se navedu: • Extracorporal shock talasna litotripsija (EWSL), koja

danas predstavlja prvi izbor u uklanjanju kamenaca manjih od 4mm-1cm u prečniku. EWSL tretman je postupak kojim se razbijaju kamenci u bubregu ili gornjem delu urinarnog trakta, a zasnovan je na interakciji ultrazvučnih talasa sa biomaterijalom. Ultrazvučni talasi prolaze kroz tkivo dok ne udare u kamen. Impulsni signali određenom dinamikom usitnjavaju kamen do veličine koja onda može da prođe kroz urinarne kanale i ureter. Međutim, ovaj postupak ne može da se koristi u slučaju nepravilnih bubrega, za cistinske kamence, kao ni za kamence čija je veličina preko 3cm u prečniku, zbog mogućih komplikacija različitih vrsta usled šoka prouzrokovanih pri interakciji sa ultrazvukom. Takođe, još uvek nije u potpunosti potvrđena neinvazivnost ove metode, mada je pouzdano dokazano da kod dece predstavlja sigurnu metodu.

• Percutana nefrolitotomija (PNL), koja može da se koristi za uklanjanje veoma velikih kamenaca u bubrežnoj čašici, kada EWSL ne može da da rezultat za transplantaciju, ili kada postoje strukturne promene u bubrezima ili oblasti koja ih okružuje. PNL predstavlja i poželjnu proceduru kada je u pitanju cistinski kamen, koji je otporan na hemoterapijska dejstva, kao i na šok talasne terapije. Za male (staghorn) kamence u normalnim ili kvazinormalnim bubrezima podjednako su efikasne i EWSL i PNL metode. Za komplikovanija stanja koja uključuju staghorn slučajeve preporučuju se primena PNL kombinovana sa EWSL (sandwich ili ponovljena PNL procedura). Takođe, ova metoda važi kao pouzdana za primenu nezavisno od starosnog doba pacijenata. Posebno se preporučuje za primenu u slučajevima kada se kamenac nalazi u ureteru više od 4 nedelje. Sama procedura se sastoji od pravljenja malog prolaza kroz tkivo sve do kamenca. Ubacivanjem finog instrumenta - nefroskopa drobi se kamen koristeći laserski snop. Za veće kamence potrebna je dodatna energija za prethodno usitnjavanje za šta se koriste ultrazvučni talasi, pneumatski postupci i laseri. Uspešnost ovih metoda je oko 98% za kamence u bubrezima i 88% za ureteralne.

• Ureteroskopija, koja je za kamence u nižem delu urinarnog trakta najbolja procedura. Hirurg sprovodi fiberoptički instrument kroz ureter, locira kamen i dalje ga mehanički uklanja. U slučaju većih kamenaca opet se koristi laserski snop.

• Standardna hirurška intervencija – nefrolitotomija, koja se zahteva ako bilo koja od pomenutih procedura ne može da da rezultat.

278

UROLITHIASIS

Endoskopski inkorporiran laser se danas uobičajeno koristi kao tretman za urinarne kamence u kombinaciji sa vantelesnom šok-talasnom litotripsijom. Većina urinarnih kamenaca, manjih od 5 mm mogu da se odstrane spontano, ali kamenci koji predstavljaju prepreku, infektivni kamenci i kamenci većih dimenzija zahtevaju intervenciju. U zavisnosti od njihove veličine, oblika (staghorn) i položaja mora da se primeni ili retrogradna ureteroskopija ili percutana nefrolitotomija. Laseri su idealni za primenu po oba pristupa. Fleksibilno kvarcno vlakno koje prenosi lasersko zračenje je posebno podesno za tretiranje kamenaca. Mehanizam koji deluje odvija se između plazme koja se obrazuje na vrhu optičkog vlakna i kamenca, pri čemu se stvara udarni talas koji razara kamenac duž linija frakture. Utvrđeno je da fleksibilno kvarcno vlakno malog prečnika lako prolazi kroz radni kanal ureteroskopa, fragmentirajući kamence bilo kog sastava izuzev cistinske. Tvrdi kamenci obično fragmentiraju u deliće nepravilnog oblika, zbog čega je potom neophodna endoskopska ekstrakcija. Energija koja se koristi za fragmentaciju je ograničena prečnikom vlakna. Vlakno prečnika 200 µm npr. obezbeđuje nedovoljnu količinu energije (oko 80 MJ) za fragmentaciju kamenaca od kalcijum oksalat monohidrata (COM).

Ho:YAG je poslednji u nizu lasera koji se primenjuje za endoskopsko uklanjanja kamenaca. Energija zračenja se prenosi u impulsnom režimu kroz kvarcno vlakno. U vodenoj sredini parni mehurovi okružuju vrh vlakna i destabilišu kamenac, stvarajući finu prašinu i male fragmente. Kada je dužina impulsa od 100 – 300 ms i snaga u opsegu 3 – 20 W, javlja se efekat kavitacije koji stvara uslove za segmentnu resekciju svih kamenaca, bez obzira na njihov sastav. Intiman kontakt između vlakna i kamenca je prvi i najvažniji sigurnosni faktor. Prvih nekoliko milimetara tkiva potpuno apsorbuje snop zračenja, pa stoga kada se tretiranje izvodi u vodi ili sonom irigantu postoji minimalan rizik od termičke povrede, što je prednost u odnosu na Nd:YAG laser. EKSPERIMENT I DISKUSIJA

Uradjeni eksperimenti su nastavak rada [5,6] sa izlaganjem kamenaca različitih vrsta laserskim snopovima u raznim dinamičkim režimima rada i različitih talasnih dužina.

U eksperimentima ovog rada uzorci su izlagani snopovima Nd3+: YAG i CO2 lasera. Dobijene povrede su analizirane optičkim mikroskopom. Parametri upotrebljenog zračenja, opis i veličina povrede, kao i sam izgled povrede su za svaki ispitivani uzorak prikazani pojedinačno u Tabelama 1 – 5.

U Tabelama 1 i 2 prikazane su povrede žučnih kamenaca dobijene Nd3+:YAG laserom u impulsnom režimu sa istim brojem impulsa i različitom energijom zračenja od 20 i 38 mJ. Iako su izazvane povrede jedva primetne, ipak postoji razlika u širini i dubini oštećenja. Interesantno je da su uzorci promenili boju nakon tretmana laserom, verovatno usled gubitka vode. U Tabelama 3 i 4 prikazane su povrede žučni kamenaca dobijene Nd3+:YAG laserom u impulsnom režimu sa različitim brojem impulsa i istom energijom. Prema očekivanju, veličina

oštećenja je direktno proporcionalna broju impulsa, međutim interesantno je zapaziti da postoji razlika u obliku oštećenja. Tabela 1

Uzorak 1: žučni kamenac Parametri: Nd3+: YAG laser, f = 500 mm, impulsni režim, E = 20 mJ, 50 impulsa

Opis: kamenac tamno braon boje, povreda jedva vidljiva bez posebnih detalja, skoro kružnog oblika, prečnika 0,1 mm

Tabela 2 Uzorak 2: žučni kamenac Parametri: Nd3+: YAG laser, f = 500 mm, impulsni režim, E = 38 mJ, 50 impulsa Opis: kamenac oker - žute boje, jedva vidljiva povreda bez tragova po obodu, skoro kružnog oblika, prečnika 0,55 mm, veoma male dubine (0,05 mm),

Tabela 3 Uzorak 3: žučni kamenac Parametri: Nd3+: YAG laser, f = 500 mm, impulsni režim, E = 24 mJ, τ = 15 ns, 20 impulsa Opis: kamenac tamno braon boje, površina blago hrapava, povreda površinska u vidu nepravilnog pravougaonika, dimenzija 0,375 x 0,438 mm

279

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

dubi

na/s

irina

ost

ecen

ja, m

m

broj impulsa

sirina ostecenja, mm dubina ostecenja, mm

Tabela 4 Uzorak 4: žučni kamenac Parametri: Nd3+: YAG laser, f = 500 mm, impulsni režim, E = 24 mJ, τ = 15 ns, 10 impulsa Opis: kamenac tamno braon boje, površina blago hrapava, povreda u vidu kaviteta sa blagim ispupčenjem na dnu, prečnik 0,312 mm

Tabela 5 Uzorak 5: bubrežni kamenac Parametri: CO2 laser, impulsni režim, TEM00 režim, E = 47 mJ, τ = 2µs, repeticija 0,81Hz, broj impulsa - 15 (a), 100 (b), 390 (c) Opis: kamenac bele boje, porozan, povreda u vidu kratera, prečnika i dubine: 0,5 x 0,3 mm (a); 0,6 x 0,8 mm (b); 1,0 x 1,1 mm (c); kod povreda (b) i (c) uočljive frakturne linije više izražene kod veće povrede, kod sve tri povrede po obodu prisutan ″izbačen″ materijal kao posledica termičkog efekta

uočena razlika je verovatno posledica lokalne nehomogenosti u strukturi kamenca.

U Tabeli 5 su prikazane povrede na bubrežnom kamencu izazvane CO2 laserom u impulsnom režimu sa različitim brojem impulsa. Za razliku od prethodnih bubrežnih kamenaca

ovaj kamenac je bele boje i porozan. oštećenja izazvana CO2 laserom imaju karakterističan izgled za TEM00 režim sa velikom gustinom energije. Dubina i širina oštećenja se povećavaju sa povećanjem broja impulsa, s tim što je zavisnost širine oštećenja i broja impulsa vrlo bliska linearnoj, Slika 1.

Slika 1: Zavisnost dubine i širine povreda na bubrežnom kamencu izazvanih CO2 laserom, impulsnim režimom,

(TEM00 režim, E = 47 mJ, τ = 2µs) ZAKLJUČAK Primena Nd3+:YAG i CO2 lasera u medicini u cilju uklanjanja žučnih i bubrežnih kamenaca zahteva dalja istraživanja, s obzirom da sastav kamenaca može da varira u vrlo širokom opsegu. Nd3+:YAG lasersko zračenje, sa režimom korišćenim u ovom eksperimentu, ima malu mogućnost razaranja žučnih kamenaca kompaktnog tipa. Istraživanja bi trebalo nastaviti u pravcu povećanja energije do nivoa koji može da izdrži tkivo oko kamenca. s druge stranje primena co2 lasera u razaranju bubrežnih kamenaca poroznog tipa se pokazala svrsishodnom. LITERATURA [1] www.Michael Grasso, Lasers in urology [2] www.John Baillie, Common bile duct stones [3] www.Kidney stones (Urolithiasis) [4] A.Chepurov, A.Nemenova, Application of holmium laser in urology, Proc.of. VIII Inter. Meeting, Soc.for Minimally Invasive Therapy, Cernobbio, Italy, 1996, supp l.1, p56 [5] R. Gospavić, V. Šijački Žeravčić, et.al, Modeli interakcije laserskog zračenja sa materijalima od interesa u medicini, Zbornik radova XLVII Konf. za ETRAN, Herceg Novi, 8-13 juna, Vol.III, pp.338-341, 2003 [6] Srecković, V. Šijački Žeravčić,et al., Primena lasera u biomedicini, hirurgiji i dijagnostici sedimentinih naslaga žučnog kalkulusa i fibrogenog plaka, ETRAN, Kopaonik sv. X-XI, pp.27-34, 1992 Abstract- Lithotripsy of renal and biliar calculus from human body provoked by different laser beams was analyses in this paper. For few differente tipes of renal and biliar calculuse, a set of investigations in vitro were applied by Nd3+:YAG i CO2 laser beams.

DAMAGES OF RENAL AND BILIAR CALCULUS PROVOKED BY DIFFERENT LASER BEAMS

Šijački Žeravčić Vera, Šijački Ana, Družijanić Dragan, Ćosović

Vladan, Gordana Bakić, Trtica Milan, Ristić Zoran, Viktor Popović

a)

b) c)

280