ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА ТИТАНСОДЕРЖАЩЕГО ОПТОТЕРМИЧЕСКОГО ВОЛОКОННОГО КОНВЕРТЕРА И СТЕНКИ ВЕНЫ В ПРОЦЕССЕ ЭНДОВАЗАЛЬНОЙ ЛАЗЕРНОЙ КОАГУЛЯЦИИ

Беликов А.В., До Тхань Тунг, Семяшкина Ю.В. Численное моделирование лазерного нагрева титансодержащего оптотермического волоконного конвертера и стенки вены в процессе эндовазальной лазерной коагуля- ции // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 4. С. 485–493. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-4-485-493

Предмет исследования. Впервые с помощью численных методов исследован лазерный нагрев титансодержащего оптотермического волоконного конвертера и стенки вены, а также эффект термического повреждения стенки вены в процессе эндовазальной лазерной коагуляции с различной средней мощностью излучения 980 нм полупроводникового лазера и скоростью тракции конвертера внутри вены. Метод. Сформулированы модели и условия для численного моделирования оптических и теплофизических процессов, происходящих при эндовазальной лазерной коагуляции вен с использованием титансодержащего оптотермического волоконного конвертера. При оптическом моделировании применялся метод Монте-Карло. При теплофизическом моделировании методом конечных разностей проанализирована начально-краевая задача для нелинейной модели радиационно-кондуктив- ного переноса тепла с движущимися источниками излучения. Эффект термического повреждения стенки вены оценен в результате решения уравнения Аррениуса. Основные результаты. Титансодержащий оптотермиче- ский волоконный конвертер может быть использован для эндовазальной лазерной коагуляции вен излучением с длиной волны 980 нм и средней мощностью до 20 Вт. Лазерное излучение практически полностью поглощается конвертером. При одновременной подаче лазерного излучения и начале тракции температура стенки вены не сразу достигает максимального значения, время ожидания может достигать единиц и даже десятков секунд. Температура внутри конвертера превышает 250 °С. Определены оптимальные комбинации средней мощности лазерного излучения и скорости тракции титансодержащего конвертера, необходимые для равномерной коагуля- ции стенки вены. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов и устройств лазерной техники для эндовазальной лазерной коагуляции вен.

1. Шевченко Ю.Л., Мазайшвили К.В., Стойко Ю.М. Лазерная хирургия варикозной болезни. М.: Боргес, 2010. 196 с.

2. Proebstle T.M., Lehr H.A., Kargl A., Espinola Klein C., Rother W., Bethge S., Knop J. Endogenous treatment of the greater saphenous vein with a 940 nm diode laser: Thrombotic occlusion after endoluminal thermal damage by laser-generated steam bubbles // Journal of Vascular Surgery. 2002. V. 35. N 4. P. 729–736. doi: 10.1067/mva.2002.121132

3. Van der Geld C.W.M., Van den Bos R.R. The heat-pipe resembling action of boiling bubbles in endovenous laser ablation // Lasers in Medical Science. 2010. V. 25. N 6. P. 907–909. doi: 10.1007/s10103-010-0780-2

4. Verdaasdonk R.M., Van Swol C.F.P,  Grimbergen M.C., Rem A.I. Imaging techniques for research and education of thermal and mechanical interactions of lasers with biological and model tissues // Journal of Biomedical Optics. 2006. V. 11. N 4. P. 14–19. doi: 10.1117/1.2338817

5. Disselhoff  B.C., Rem A.I., Verdaasdonk R.M., Der Kinderen D.J., Moll F.L. Endovenous laser ablation: an experimental study on the mechanism of action // Phlebology. 2008. V. 23. N 2. P. 69–76. doi: 10.1258/phleb.2007.007038

6. Amzayyb M., Van Den Bos R.R., Kodach V.M., De Bruin D.M., Nijsten T., Neumann H. A.M., Van Gemert M.J.C. Carbonized blood deposited on fibres during 810, 940 and 1,470 nm endovenous laser ablation: thickness and absorption by optical coherence tomography // Lasers in Medical Science. 2010. V. 25. N 3. P. 439–447. doi: 10.1007/s10103-009-0749-1

7. Дуденкова В.В., Ширманова М.В., Лукина М.М., Фельдштейн Ф.И., Виткин А., Загайнова Е.В. Оценка структуры и состояния коллагена по сигналу генерации второй гармоники // Успехи биологической химии. 2019. № 59. C. 181–218.

8. Жилин К.М., Минаев В.П., Соколов А.Л. О влиянии особенностей поглощения лазерного излучения в воде и крови на выбор рабочей длины волны для эндовенозной облитерации вен при лечении варикозной болезни // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 8. С. 781–784.

9. Скрипник А.В. Оптотермический волоконный конвертер лазерного излучения // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 9. С. 37–42.

10. Van den Bos R.R., Kockaert M.A., Neumann H.M., Bremmer R.H., Nijsten T., Van Gemert M.J. Heat conduction from the exceedingly hot fiber tip contributes to the endovenous laser ablation of varicose veins // Lasers in Medical Science. 2009. V. 24. N 2. P. 247–251. doi: 10.1007/s10103-008-0639-y

11. Беликов А.В., Скрипник А.В., Курнышев В.Ю., Шатилова К.В. Экспериментальное и теоретическое исследование динамики нагрева углеродсодержащих оптотермических волоконных конвертеров для лазерной хирургии // Квантовая электроника. 2016. Т. 46. № 6. С. 534–542.

12. Belikov A.V., Skrypnik A.V., Kurnyshev V.Y. Thermal and optical modeling of "blackened" tips for diode laser surgery // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9887. P. 98873C. doi: 10.1117/12.2227840

13. Romanos G.E., Altshuler G., Yaroslavsky I. EPIC Pro: Re-Inventing Diode Laser Soft-Tissue Therapy Using Science and Technology. Irvine. CA. USA. BIOLASE Inc, 2016.

14. Беликов А.В., Скрипник А.В. Динамика лазерного нагрева и спектры свечения углерод-, титан- и эрбийсодержащих оптотермических волоконных конвертеров для лазерной медицины // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. № 7. С. 669–674.

15. Belikov A.V., Skrypnik A.V. Soft tissue cutting efficiency by 980 nm laser with carbon-, erbium-, and titanium-doped optothermal fiber converters // Lasers in Surgery and Medicine. 2019. V. 51. N 2. P. 185–200. doi: 10.1002/lsm.23006

16. Belikov A.V., Skrypnik A.V., Salogubova I.S. Optical and thermal modeling of Ti-doped optothermal fiber converter for laser surgery // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11065. P. 1106514. doi: 10.1117/12.2530981

17. Беликов А.В., Скрипник А.В. Экспериментальное и теоретическое описание процесса контактной лазерной хирургии с титансодержащим оптотермическим волоконным конвертером // Квантовая электроника. 2020. Т. 50. № 2. С. 95–103.

18. Tan M.K.H., Sutanto S.A., Onida S., Davies A.H. The relationship between vein diameters, clinical severity, and quality of life: A systematic review // European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 2019. V. 57. N 6. P. 851–857. doi: 10.1016/j.ejvs.2019.01.024

19. De Mello Porciunculla M., Braga Diamante Leiderman D., Altenfeder R., Siqueira Barbosa Pereira C., Fioranelli A., Wolosker N., Castelli V., Jr. Clinical, ultrasonographic and histological findings in varicose vein surgery // Revista da Associacao Medica Brasileira. 2018. V. 64. N 8. P. 729–735. doi: 10.1590/1806-9282.64.08.729

20. Rosukhovskii D.A., Iliukhin E.A., Simonova A.A., Khodzitsky M.K. Risk zone evaluation for modern technology of varicose veins radiofrequency thermal ablation // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1062. N 1. P. 012007. doi: 10.1088/1742-6596/1062/1/012007

21. Bosschaart N., Edelman G.J., Aalders M.C., van Leeuwen T.G., Faber D.J. A literature review and novel theoretical approach on the optical properties of whole blood // Lasers in Medical Science. 2014. V. 29. N 2. P. 453–479. doi: 10.1007/s10103-013-1446-7

22. Péry E., Blondel W.C.P.M., Didelon J., Leroux A., Guillemin F. Simultaneous characterization of optical and rheological properties of carotid arteries via bimodal spectroscopy: Experimental and simulation results // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2009. V. 56. N 5. P. 1267–1276. doi: 10.1109/TBME.2009.2013719

23. dos Santos I., Haemmerich D., da Silva Pinheiro C., Ferreira da Rocha A. Effect of variable heat transfer coefficient on tissue temperature next to a large vessel during radiofrequency tumor ablation // BioMedical Engineering Online. 2008. V. 7. P. 21. doi: 10.1186/1475-925X-7-21

24. Ignatieva N.Y., Zakharkina O.L., Masayshvili C.V., Maximov S.V., Bagratashvili V.N., Lunin V.V. The role of laser power and pullback velocity in the endovenous laser ablation efficacy: an experimental study // Lasers in Medical Science. 2017. V. 32. N 5. P. 1105–1110. doi: 10.1007/s10103-017-2214-x

25. Belikov A.V., Skrypnik A.V., Smirnov S.N., Semyashkina Y.V. Temperature dynamics of soft tissues during diode laser cutting by different types of fiber opto-thermal converters // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10336. P. 103360C. doi: 10.1117/12.2268866

26. Belikov A.V., Skrypnik A.V., Kurnyshev V.I. Modeling of structure and properties of thermo-optical converters for laser surgery // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9917. P. 99170G. doi: 10.1117/12.2229750

27. Van Den Bos R.R., Van Ruijven P.W.M., Van Der Geld C.W.M., Van Gemert M.J.C., Neumann H.A.M., Nijsten T. Endovenous simulated laser experiments at 940 nm and 1470 nm suggest wavelength-independent temperature profiles // European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 2012. V. 44. N 1. P. 77–81. doi: 10.1016/j.ejvs.2012.04.017

28. Fan C.-M., Rox-Anderson R. Endovenous laser ablation: mechanism of action // Phlebology. 2008. V. 23. N 5. P. 206–213. doi: 10.1258/phleb.2008.008049

29. Poluektova A.A., Malskat W.S.J., van Gemert M.J.C., Vuylsteke M.E., Bruijninckx C.M.A., Neumann H.A.M., van der Geld C.W.M. Some controversies in endovenous laser ablation of varicose veins addressed by optical-thermal mathematical modeling // Lasers in Medical Science. 2014. V. 29. N 2. P. 441–452. doi: 10.1007/s10103-013-1450-y

30. Жилин К.М. Влияние длины волны лазерного излучения ближнего ИК-диапазона на характер силового воздействия на биологические ткани (кровь, венозная стенка, слизистая оболочка и костная ткань): Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2013 [Электронный ресурс]. URL: https://mephi.ru/upload/avtoreferat/Zhilin.pdf, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 01.06.2020).

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License