Determination of the effective mode of laser radiation for coagulation of the wall of the Baker cyst in the ex-vivo experiment.

Abstract


Relevance. The Baker's cyst is the most numerous group of benign neoplasms of the popliteal region. The anatomical feature of the location, the vagueness of the etiology and pathogenesis leads to the lack of a single point of view on the tactics of treating popliteal cysts. In modern medical technologies, the method of local laser hyperthermia is often used, when the denaturing of collagen forming the basis of a tissue or an organ is based on surgical treatment. Since this technique does not have direct thermal control over the course of manipulation, it becomes necessary to strictly dosage controlled photocoagulation.

Objectives of the study: to determine the optimal energy and time parameters of direct contact laser action on the wall of the Baker cyst in the simulation of its exo-vivo photocoagulation.

Materials and methods of research. In the experiment we used a wall sample of Baker's cyst, obtained as a result of open extirpation of the cyst. The material was divided into 5 roughly equal in size and mass fragments. The first of them, without any physical effects, was immediately placed in a 10% formalin solution. For all other parts of the preparation, laser irradiation was carried out in a stationary manner with a surface contact of the optical fiber with the synovial layer of the samples. The effect on the fragment was carried out in a constant mode of the light flux with a wavelength of 1.47 μm.

Results. The macroscopic and microscopic transformations that occur in the tissues of the wall of the Baker cyst were studied, with an output power of 5 and 10 W. Two series of experiments were conducted lasting 5 and 10 seconds.

On the surface of the synovial membrane of the wall of Baker's cyst, the effect in the form of point carbonation was observed in all samples subjected to laser treatment. When a microscopic study of a drug not exposed to laser radiation, the synovial membrane was only loosened. In the fragment subjected to the contact action of 10 W laser radiation for 10 seconds, the focus of necrosis of the synovium and surface layers of collagen structures without a perifocal cell reaction is histologically determined. In all other samples, after laser photocoagulation, a focal destruction of the synovial membrane with a pronounced interstitial edema was determined in the histological study. Focal fragmentation of the surface fibers was detected near the loose collagen layers.

Conclusions. The effect of high-energy laser radiation of 1.47 μm on the wall of the Baker cyst in all series of experiments did not lead to its total coagulation necrosis even in the direct irradiation zone. Considering the duration of the cyst of the energy exposure of the irradiation sufficient for the destruction of the wall, and also the small area of exposure of the laser irradiation to the face lightguide, it is evident that a considerable amount of time will be required for complete coagulation of the formation.


Кисты Бейкера составляют наиболее многочисленную группу доброкачественных полостных новообразований подколенной области. Киста Бейкера или подколенная киста является растяжением суставной сумки, чаще всего - gastrocnemio-semimembranosus. Частота кист Бейкера, выявляемых при обращении к врачу по поводу болей в области коленных суставов, значительно колеблется и варьирует от 3,4% до 32% [1, 2, 3],
Анатомическая особенность расположения, неясность этиологии и патогенеза приводит к отсутствию единой точки зрения на тактику лечения подколенных кист. На сегодняшний день общепризнанными показаниями к оперативному вмешательству считаются отсутствие эффекта от консервативного лечения, выраженный болевой синдром и ограничение подвижности сустава.
При выявлении кисты Бейкера методом ультразвукового сканирования нижних конечностей впервые в клинике ЗАО «Центр Флебологии» был предложен метод лазерной облитерации новообразования. Результаты подобного лечения обобщены в диссертационной работе [4].
В современных медицинских технологиях часто применяют метод локальной лазерной гипертермии, когда в основе хирургического лечения лежит денатурация коллагена, составляющего основу ткани или органа. При осуществлении локальной фотокоагуляции соединительных тканей условия воздействия (такие, как время и температура нагрева) часто оказываются неоптимальными, а результаты - плохо предсказуемыми, поскольку хирурги не обращают внимание на специфическую архитектонику конкретных тканей. [5].
Высокоэнергетическое лазерное излучениес длиной волны 1,47 мкм из-за тепловых эффектов вызывает вапоризацию остатков внутрикистозной жидкости и и гидратированной синовиальной оболочки. Данный эффект, под контролем ультразвуковой визуализации, выглядит как образование линейного участка гиперэхогенной тени, что и считается достижением необходимого клинического результата. Поскольку методика не имеет прямого термического контроля во время выполнения манипуляции, то в связи с этим возникла необходимость уточнения степени локальной фотокоагуляции ткани стенки кисты Бейкера, в зависимости от временных и энергетических параметров облучения.
Цели исследования. Определить оптимальные энергетические и временные параметры прямого контактного лазерного воздействия на стенку кисты Бейкера при моделировании ее фотокоагуляции ex-vivo.
Материалы и методы
Экспериментальная часть работы выполнена на базе ЗАО «Центр Флебологии» ОСП г. Екатеринбург, гистологическое исследование на базе лаборатории морфологии и биохимии Института иммунологии и физиологии УрО РАН. Образец для гистологического изучения был изъят в результате открытой экстирпации кисты. Предварительно было оформлено информированное согласие пациента на участие в эксперименте. Общая масса удаленной кисты составила 8 грамм. Материал был разделен на 5 примерно равных по размеру и массе фрагментов. Их средняя толщина была примерно 1,5 мм.
Первый из них, без каких-либо физических воздействий, был сразу помещен в 10% раствор формалина. Все остальные части препарата кисты Бейкера были поочередно размещены на экспериментальной установке (рис. 1).
Эта установка состояла из диодного лазерного аппарата Multidiode ENDO™ laser 1470 (InterMedic, Испания), генерирующего лазерное излучение длиной волны 1470 нм, штатива для фиксации световода, позволяющего перпендикулярно позиционировать торцевую часть световода на заданном расстоянии от фрагмента стенки кисты (рис. 1). Во всех случаях перед выполнением опытов производился замер мощности лазерного излучения на торце световода.
Лазерное облучение проводилось стационарно при поверхностном контакте световода с синовиальным слоем образцов. Излучение доставлялось через гибкое, покрытое полиэтиленовой оболочкой кварцевое моноволокно диаметром 600 мкм, срезанное под углом 90°. Таким образом, световое пятно лазера представляло собой правильную окружность площадью 0,01 см², с равномерным распределением световой энергии по площади. Во время работы лазерной установки для защиты исследователей и ассистента использовались специальные защитные очки.
Контактное воздействие на фрагмент проводилось в постоянном режиме светового потока. Исследовались макроскопические и микроскопические трансформации, возникающие в тканях стенки кисты Бейкера, при выходной мощности излучения 5 и 10 Вт. Было проведено две серии эксперимента продолжительностью 5 и 10 секунд. Мощность излучения устанавливалось регулятором на панели хирургической лазерной установки. Экспозиция облучения контролировалась ассистентом с помощью секундомера. Термические изменения возникающие в процессе опыта регистрировались с расстояния 45 см. Для этой цели использовался переносной тепловизор CONDTROL IR-CAM (Россия) с диапазоном температурных измерений от -30° до +350°С, погрешностью ±4°C и температурным отклонением в 0,10°С.
По окончанию лазерного воздействия гибкий световод отодвигался от образца и производилась макроскопическая оценка появившихся изменения ткани (рис. 2). Визуальные повреждения стенки кисты фиксировались цифровым фотоаппаратом Canon IXUS 180 (20 мегапиксель). Затем фрагмент незамедлительно помещали в предварительно маркированный флакон с 10% раствором формалина. Всего в исследовании учувствовало 5 образцов. Параметры воздействия на образцы приведены в табл. 1. Из каждого биоптата изготавливали по 3–4 микроскопических среза толщиной 5–7 мкм, окрашивали гематоксилином и эозином [6]. Для гистологической идентификации соединительной ткани использовали окраску препаратов по Ван-Гизону [7]. После окрашивания микропрепараты исследовались под световым микроскопом LeicaDM 2500 с возможностью вывода изображения на монитор компьютера.
Результаты и их обсуждение
На поверхности синовиальной оболочки стенки кисты Бейкера исход в виде точечной карбонизации наблюдался во всех образцах, подвергнутых лазерному воздействию (рис. 2). Эти изменения в зоне облучения, возникают, когдаконтакт с материалом практически полностью исключает отражение излучения в окружающее пространство и температура ткани резко возрастает (рис. 3). Температура при этом достигает значительных величин, что и проводит к обугливанию синовиального слоя.
При микроскопическом исследовании препарата, не подвергнутого воздействию лазерного излучения, была выявлена следующая гистологическая картина: синовиальная оболочка разрыхлена с грануляционными полипами, выступающими в полость. Характер инфильтрата лимфоплазмоцитарный с небольшим количеством гранулоцитов. В стенке кисты в эндотенонии между коллагеновыми волокнами определяется фокусы лимфоидной инфильтрации. Умеренный интерстициальный отек подлежащих коллагеновых структур. Обнаружен грануляционный полип (рис. 4, 5).
Во фрагменте, подвергнутому контактному воздействию лазерного излучения (образец №3) мощностью 10 Вт, продолжительностью 10 секунд, гистологически определялся фокус некроза синовиальной оболочки и поверхностных слоев коллагеновых структур без перифокальной клеточной реакции, обнаруживалось мукоидное набухание и деструкция поверхностных коллагеновых волокнистых структур (рис. 6, 7). Таким образом, морфологически определен порог минимальной дозы для изолированного повреждения синовиального слоя кисты Бейкера (табл. 1).
Во всех остальных образцах (№ 2, 4, 5) после лазерной фотокоагуляциипри гистологическом исследовании определялась очаговая деструкция синовиальной оболочки с выраженным интерстициальным отеком и признаками десквамации синовиальной оболочки в полость кисты. В подлежащих рыхлых коллагеновых слоях выявлялась очаговая фрагментация только поверхностных волокон (рис. 8, 9).
Целью эндокистозного применения лазерного излучения является фотокоагуляция тканей кисты Бейкера с последующей ее облитерацией, устранением специфической симптоматики [8] и профилактикой разрыва [9]. Необходимость в подобном вмешательстве очевидна, поскольку в ряде трудов сообщалось о том, что подколенная киста приводит к неблагоприятным исходам эндопротезирования коленного сустава [10, 11] и отягощает течение гонартроза [12].
До сих пор обсуждается несколько возможных теорий о механизмах воздействия лазерной энергии на стенку кисты: за счет вскипания остатков серозного содержимого, непосредственный контакт со световодом или прямое поглощение лазерной энергии. Учитывая, что серозная жидкость в большом количестве содержит воду, также как и стенка кисты, а кровообращение в последней незначительно, поэтому для фотокоагуляции подколенного образования оптимальным излучением являются лазеры с длинами волн 1,47 - 1,56 мкм. Этот выбор очевиден, поскольку данное лазерное излучение обладает низкой проникающей способностью, а поглощение в воде для него является преобладающим (W-лазеры) [13].
В начале эксперимента предполагалось, что лазерная энергия при прямом контакте с кончиком световодабудет поглощена непосредственно стенкой кисты и для этого не требуется вскипания внутрикистозной жидкости. Это обеспечило бы воздействие на все слои стенки кисты и термическое повреждение всей ее толщи в зоне облучения. Тем более, что именно такое использование лазерной энергии позволяет проводить ЭВЛО с возможностью надежно облитерировать вены большого диаметра (более 1 см) [14, 15]. Но, полученные нами результаты экспериментальной работы не позволяют провести корреляцию между макроскопическими изменениями фрагмента стенки кисты (карбонизация зоны воздействия, изменение цвета окружающих тканей) с данными гистологических исследований. Наличие точечной зоны карбонизации на всех образцах не может свидетельствовать о более глубоком коагуляционном некрозе всех слоев стенки кисты Бейкера с разрушением коллаген-эластинового каркаса в результате прямого лазерного воздействия. Все изменения ограничивались пределами длины поглощения лазерного излучения и ширины светового пятна, в случае нашего опыта - не более 600 мкм, что подтверждается другими исследователями [16, 17]. Вероятно, это связано с тем, полученной энергии не хватает для более глубокого нагрева коллагена, составляющего стенки кисты, выше 70°С. Второй причиной может быть обугливание световода и синовиального слоя кисты, является мощным хромофором, активно поглощающим лазерную энергию, что препятствует ее проникновению в более глубокие слои стенки.
Выводы
1. Воздействие высокоэнергетического лазерного излучения 1,47 мкм на стенку кисты Бейкера во всех сериях эксперимента не привело к ее тотальному коагуляционному некрозу даже в зоне непосредственного облучения.
2. Контактное воздействие высокоэнергетического лазерного излучения 1,47 мкм при мощности 10 Вт в течение 10 секунд приводит к некрозу только синовиального слоя. Также при этом наблюдается только частичная фрагментация подлежащих коллагеновых волокон в независимости от величины выходной мощности излучения и его экспозиции.
3. Учитывая необходимую для деструкции стенки кисты энергетическую экспозицию облучения, а также крайне малую площадь воздействия лазерного излучения с торца световода диаметром 600 мкм, очевидно, что потребуется значительное количество времени для полной коагуляции образования.

Andrey V Zhilyakov

General Director of the Limited Liability Company "New Technologies for Outpatient Medicine"

Author for correspondence.
Email: doctor-zhilyakov@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-1261-3712
SPIN-code: 2275-0696
http://osteoarthrosis.ru

Russian Federation,  68 Bazhov str.,  Yekaterinburg, 620075, Russian Federation

candidate of medical Sciences, limited liability company "New technologies for outpatient medicine"

Sergey Aleksandrovich Chernyadiev

Ural State Medical University

Email: chsa-surg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4207-1862
SPIN-code: 6815-7963

Russian Federation, 50 Timiryazev str., Ekaterinburg, 620028, Russian Federation

M. D., Professor of the Ural state medical University

Alexander Vitalievich Aretinsky

The federal network of Nuclear Medicine centers - PET – Technology

Email: a.aretinskiy@pet-net.ru
ORCID iD: 0000-0001-7310-8782
SPIN-code: 3605-9277

Russian Federation, 29 Soboleva str., Ekaterinburg, 620036, Russian Federation 

doctor of the radiologist / radiographer, limited liability company “PET - technology”

Nadezhda Ivanovna Sivkova

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: Letica@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6331-0124
SPIN-code: 1835-8921

Russian Federation,  19 Mira str., Yekaterinburg, 620002, Russian Federation

candidate of sociological sciences, associate Professor, Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin

Vladimir Ivanovich Gorbatov

Ural State Mining University

Email: gorbatov@ursmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8066-0217
SPIN-code: 8737-8411

Russian Federation, 30 Kuibyshev Str., Ekaterinburg, 620144, Russian Federation

candidate of physical and mathematical sciences, associate Professor of Ural state mining University

Svetlana Jur'evna Medvedeva

Institute of Immunology and Physiology of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: medvedeva-ran@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1410-0139

Russian Federation,  106 Pervomayskaya str., Yekaterinburg, 620219, Russian Federation

candidate of medical Sciences, leading researcher of the laboratory of morphology and biochemistry of the Institute of immunology and physiology Ural branch of the Russian Academy of Sciences

Natalia Yuryevna Korobova

Ural State Medical University

Email: olvin.phlebolog@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8523-912X
SPIN-code: 8945-5570

Russian Federation, 50 Timiryazev str., Ekaterinburg, 620028, Russian Federation

assistant Professor, Ural state medical University

Alexander Ivanovich Chernookov

Center of Phlebology

Email: chsa-surg@mail.ru
SPIN-code: 8808-8732

Russian Federation, 109 10-years of October str.,  Moscow, 119333, Russian Federation

M.D., Professor, JSC "Center of Phlebology"

  • Liao S. T., Chiou C. S., Chang C. C. Pathology associated to the Baker's cysts: a musculoskeletal ultrasound study //Clinical rheumatology. – 2010. – Т. 29. – №. 9. – С. 1043-1047.
  • Herman A. M., Marzo J. M. Popliteal cysts: a current review //Orthopedics. – 2014. – Т. 37. – №. 8. – С. e678-e684.
  • Morozov S.P., Ternovoj S.K., Gorodnichenko A.I., Arcybasheva M.V., Filisteev P.A.. Magnetic resonance imaging in the diagnosis of injuries and diseases of the knee joint //Kremlevska jamedicina. Klinicheskij vestnik. – 2014. – №. 2. – S. 58-62.
  • Korobova N.Ju. Lazernaja obliteracija kist Bejkera: dis. ... kand. med.nauk. Ekaterinburg, 2015.138 s.
  • Ignat'eva N. Ju. Thermal stability of collagen in connective tissues: dissertacija ... doktora himicheskih nauk : 02.00.04 / Ignat'eva Natalija Jur'evna; Mesto zashhity: Mosk. gos. un-tim. M.V. Lomonosova.-Moskva, 2011.- 301 s..
  • Avtandilov G.G., red. Medicinskaja morfometrija: Ruk-vo dlja vrachej. M., 1990.384 s.Romejs B. Microscopic technology / Per. s nem.– M.,1953.– 720 s.
  • Romejs B. Mikroskopicheskaja tehnika / Per. s nem.– M.,1953.– 720 s.
  • Smith M.K, Lesniak B., Baraga M.G, Kaplan L., Jose J. Treatment of popliteal (baker) cysts with ultrasound-guided aspiration, fenestration, and injection: long-term follow-up //Sports health. - 2015. - T. 7. - №. 5. - C. 409-414.
  • Kim J.S, Lim S.H, Hong B.Y, Park S.Y. Ruptured popliteal cyst diagnosed by ultrasound before evaluation for deep vein thrombosis //Annals of rehabilitation medicine. - 2014. - T. 38. - №. 6. - C. 843-846.
  • Dirschl D.R., Lachiewicz P.F. Dissecting popliteal cyst as the presenting symptom of a malfuntioning total knee arthroplasty: Report of four cases //The Journal of arthroplasty. - 1992. - T. 7. - №. 1. - C. 37-41
  • Hommel H., Perka C., Kopf S. The fate of Baker's cyst after total knee arthroplasty // Bone Joint J. - 2016. - T. 98. - №. 9. - С. 1185- 1188
  • Bevers K., Vriezekolk J.E., Bijlsma J.W., van den Ende, C.H., den Broeder A.A. Ultrasonographic predictors for clinical and radiological progression in knee osteoarthritis after 2 years of follow-up //Rheumatology. - 2015. - T. 54. - №. 11. -C. 2000-2003.
  • Shahno E. A. The physical basis of the use of lasers in medicine //S-Pb, Uchebnoeposobie -2012. 266p/
  • Sokolov A.L., Ljadov K.V., Lucenko M.M. Laser obliteration of veins for practical doctors. — M.: Medpraktika-M, 2011. — 136 s.
  • Shevchenko Ju.L., StojkoJu.M., Mazajshvili K.V. Laser surgery of varicose veins. — M.: Borges, 2010. — 195 s.
  • Mazajshvili K.V., Stojko Ju.M., Hlevtova T.V., Kutidze I.A., Morenko D.N. Perforation of the venous wall as the leading cause of pain syndrome after endovenous laser obliteration //Angiologija i sosudistaja hirurgija. - 2011. - T. 17 - №. 3 -S. 79-83.
  • Reszko A.E., Magro C.M., Diktaban T, Sadick N.S. Histological comparison of 1064 nm Nd: YAG and 1320 nm Nd: YAG laser lipolysis using an ex vivo model //Journal of drugs in dermatology: JDD. - 2009. - T. 8. - №. 4. - C. 377-382.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Views

Abstract - 65

PDF (Russian) - 39


Copyright (c) Zhilyakov A.V., Chernyadiev S.A., Aretinsky A.V., Sivkova N.I., Gorbatov V.I., Medvedeva S.J., Korobova N.Y., Chernookov A.I.

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