Поглощение и рассеяние лазерного излучения в суставном хряще при обработке очага хондропатии

Автор: Лычагин А.В., Юсупов В.И., Сурин В.В., Иванников С.В., Петров П.И., Байцаева О.И., Маликова Т.К., Коваленко Н.В., Шевелкина Е.Д., Заров А.Ю.

Журнал: Кафедра травматологии и ортопедии @jkto

Рубрика: Оригинальное исследование

Статья в выпуске: 1 (51), 2023 года.

Бесплатный доступ

Обоснование: Остеоартроз - одно из наиболее распространённых заболеваний, приводящих к потере трудоспособности. Артроскопическая лазерная обработка суставного хряща является эффективным и перспективным методом лечения остеоартроза, однако её методика может быть улучшена за счёт результатов данного исследования.Цель исследования: экспериментальная оценка коэффициентов поглощения и рассеяния лазерных излучений с длинами волн λ=1.55 мкм и λ=0.97 мкм в тканях суставного хряща и установления роли этих излучений в механизме лазерного воздействия при лечении хондропатии.Материалы и методы: Из образцов хрящевой ткани свиньи были изготовлены тонкие срезы толщиной 100 мкм и 200 мкм. Срезы подвергались воздействию лазерных излучений с длинами волн λ=1.55 мкм и λ=0.97 мкм. Для измерения оптических свойств образов был использован «метод подвижных интегрирующих сфер».Результаты: При прохождении через хрящевую ткань, коэффициент поглощения для излучения λ=0,97 мкм составил 0,14±0,02 мм-1 для излучения λ=1,55 мкм - 0,8±0,1 мм-1. Коэффициент рассеяния для излучений с λ=0.97 и с λ=1.55 составил 19±2 мм-1 и 3,7±0,4 мм-1 соответственно.Заключение: 1) При прохождении через толщу суставного хряща коэффициент поглощения (μа) у лазерного излучения с λ=0,97 мкм значительно ниже чем у лазерного излучения с λ=1,55 мкм. 2) При прохождении через толщу суставного хряща коэффициент рассеяния (μs) у лазерного излучения с λ=0,97 мкм значительно выше чем у лазерного излучения с λ=1,55 мкм. При лазерной обработке очага хондропатии сочетанным излучением λ=0,97 мкм + λ=1,55 мкм, излучение λ=1,55 мкм «сглаживает» поверхность суставного хряща в очаге хондромаляции позволяя достигать восстановления структурности суставной поверхности, а параметры излучения λ=0,97 мкм в толще суставного хряща позволяют запустить механизмы фотобиомодуляции в суставном хряще и подлежащей субхондральной кости.

Еще

Лазер, хрящ, регенерация, хондропатия, остеоперфорация, абляция

Короткий адрес: https://sciup.org/142238937

IDR: 142238937   |   DOI: 10.17238/2226-2016-2023-1-47-55

Список литературы Поглощение и рассеяние лазерного излучения в суставном хряще при обработке очага хондропатии

  • Glyn-Jones S., Palmer A. J. R. Agricola, AJ Price, TL Vincent, H. Weinans . AJ Carr, Osteoarthritis. Lance., 2015; 386(9991): 376-87 Doi: 10.1016/S0140-6736(14)60802-3
  • Madry H., Kon E., Condello V., Peretti G.M., Steinwachs M., Seil R., Berruto M., Engebretsen L., Filardo G., Angele P. (2016) Early osteoarthritis of the knee. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2016;24:1753-1762 Doi: 10.1007/s00167-016-4068-3
  • Корнилов Н. Н., Денисов А. А. Парадигма раннего гонартроза: обзор современных возможностей диагностики и лечения (часть 1) //Терапевтический архив // 2017; 12-2(89):238-243. [Kornilov N. N., Denisov A. A. Paradigma rannego gonartroza: obzor sovremennyh vozmozhnostej diagnostiki i lecheniya (chast’ 1) Terapevticheskij arhiv 2017; 12-2(89):238-243]
  • Иванников С. В Лазерная артроскопическая хирургия (Дегенеративно-дистрофические поражения коленного сустава). Москва, 2001; 19 с. [Ivannikov S. V. Lazernaya artroskopicheskaya hirurgiya (Degenerativno-distroficheskie porazheniya kolennogo sustava) Moscow, 2001; pp. 19]
  • Перспективы лечения дискогенных компрессионных форм пояснично-крестцовых радикулитов с помощью пункционных неэндоскопических лазерных операций // Сандлер Б. И. [и др.]. Владивосток. 2004. 181 с.[ Sandler B. I. et al. Perspektivy lecheniya diskogennyh kompressionnyh form poyasnichno-krestcovyh radikulitov s pomoshch’yu punkcionnyh neendoskopicheskih lazernyh operacij Vladivostok 2004; 181p.]
  • Лазерная инженерия хрящей / Баграташвили В. Н. [и др.]. Москва. 2006. 448 с. [Bagratashvili V. N. et al. Lazernaya inzheneriya hryashchej Moscow, 2006. 448 p. ]
  • Sobol E. etal. Laser regeneration of spine discs cartilage: mechanism, in-vivo study and clinical applications. Proceedings of Light-Activated Tissue Regeneration and Therapy Conference. Springer, Boston, MA, 2008. Pp. 259-266. Doi: 10.1007/978-0-387-71809-5_24
  • Holden P. K. et al. The effects of laser irradiation of cartilage on chondrocyte gene expression and the collagen matrix. Lasers in Surgery and Medicine: The Official Journal of the American Society for Laser Medicine and Surgery, 2009; 7(41):487-491 Doi: https://doi.org/10.1002/lsm.20795
  • Wong B. J. F. et al. Identification of chondrocyte proliferation following laser irradiation, thermal injury, and mechanical trauma. Lasers in Surgery and Medicine: The Official Journal of the American Society for Laser Medicine and Surgery, 2005; 1(37):89-96 Doi: https://doi.org/10.1002/lsm.20180
  • Yusupov V. I., Chudnovskii V. M., Bagratashvili V. N. Laserinduced hydrodynamics in water-saturated biotissues. 1. Generation of bubbles in liquid. Laser physics 2010; 7(20):1641-1646 Doi:10.1134/S1054660X1014001X
  • Yusupov V. I., Chudnovskii V. M., Bagratashvili V. N. Laser-induced hydrodynamics in water-saturated biotissues: 2. Effect on delivery fiber. Laser Physics, 2011; 7(21): 1230-1234 Doi:10.1134/S1054660X11140015
  • Yusupov V. I. et al. Laser-induced hydrodynamics in water-saturated tissue: III. Optoacoustic effects. Laser Physics, 2013; 1(24): 015601 Doi:10.1088/1054-660X/24/1/015601
  • Yusupov V. I. et al. Generation of acoustic waves by cw laser radiation at the tip of an optical fiber in water. Acoustical Physics, 2016; 5(62): 537-544. Doi:10.1134/S1063771016050183
  • O’Conor C. J., Case N., Guilak F. Mechanical regulation of chondrogenesis. Stem cell research & therapy, 2013; 4(4): 1-13 Doi:10.1186/scrt211
  • Fahy N., Alini M., Stoddart M. J. Mechanical stimulation of mesenchymal stem cells: Implications for cartilage tissue engineering. Journal of Orthopaedic Research, 2018; 1(36): 52-63 Doi :10.1002/jor.23670
  • Juang Y. M. et al. Proteomic analysis of chondrocytes exposed to pressure. Biomedical Chromatography, 2010:12(24): 1273-1282 Doi:10.1002/bmc.1436
  • Mizuno S., Ogawa R. Using changes in hydrostatic and osmotic pressure to manipulate metabolic function in chondrocytes. American Journal of Physiology-Cell Physiology, 2011;6(300): 1234-1245 Doi:10.1152/ajpcell.00309.2010
  • Karamesinis K. et al. Continuous hydrostatic pressure induces differentiation phenomena in chondrocytes mediated by changes in polycystins, SOX9, and RUNX2. Journal of Orofacial Orthopedics/Fortschritte der Kieferorthopädie, 2017;1(78):21-31 Doi:10.1007/s00056-016-0061-1
  • Sobol E. N. et al. Laser-induced regeneration of cartilage. Journal of Biomedical Optics, 2011; 8(6): 080902. Doi:10.1117/1.3614565
  • Alexandrovskaya Y. M. et al. Mechanisms of laser activation of chondrocytes in osteoarthritis healing. Laser Physics Letters, 2018;8(15): 085601 Doi:10.1088/1612-202X/aac746
  • Баум О. И. Механизмы модификации хрящевой ткани и тканей глаза под действием лазерного излучения. Москва. 2016. 22 с. [Baum O. I. Mekhanizmy modifikacii hryashchevoj tkani i tkanej glaza pod dejstviem lazernogo izlucheniya Moscow 2016; 22 p.]
  • Лазерная обработка хондромаляции суставного хряща / А. В Лычагин. и [др.]. //Лазерная медицина. 2022;4(25): 9-15 Doi; https://doi.org/10.37895/2071-8004-2021-25-4-9-15 [A. V Lychagin et al. Lazernaya obrabotka hondromalyacii sustavnogo hryashcha Lazernaya 2022;4(25): 9-15. Doi; https://doi.org/10.37895/2071-8004-2021-25-4-9-15]
  • Welch A. J., Van Gemert M. J. Optical-thermal response of laserirradiated tissue New York: Springer, 2011; 2:47 doi: 10.1007/978-90-481-8831-4
  • Yaroslavsky I. V. et al. Inverse hybrid technique for determining the optical properties of turbid media from integrating-sphere measurements. Applied Optics, 1996;34(35): 6797-6809 doi: 10.1364/AO.35.006797
  • Kovalenko N. V. et al. Optical properties of biological tissues evaluation with a hybrid goniometer and integrating-sphere technique and Monte Carlo mathematical modelling. Journal of Physics: Conference Series, 2019;1(1391):012025 Doi: 10.1088/1742-6596/1391/1/012025
  • Jacques S. L., Wang L. Monte Carlo modeling of light transport in tissues. Optical-thermal response of laser-irradiated tissue, Springer, Boston, MA, 1995; pp. 73-100 Doi: 10.1007/978-1-4757-6092-7_4
  • Юсупов В.И., Минаев Н.В., Свиридов А.П. Установка для определения оптических характеристик тонких образцов // Приборы и техника эксперимента //2019;6:130-131 doi: 10.1134/S0032816219050276
  • Sviridov, A. P., Zhigarkov, V. S., Shubnyi, A. G. E., Yusupov, V. I. Optical fields in porous polylactide matrices. Quantum Electronics, 2020;1(50):81 doi: 10.1070/QEL17236
  • Karpova TK, Kovalenko NV, Aloian GA, Ryabushkin OA. Mathematical modelling of optical radiation transport in biological tissues under the conditions of moveable integrating spheres registration. In Journal of Physics: Conference Series, 2021;1(209):012026 doi: 10.1088/1742-6596/2090/1/012026
  • Amaroli A. et al. An 808-nm diode laser with a flat-top handpiece positively photobiomodulates mitochondria activities. Photomedicine and Laser Surgery, 2016;11(34): 564-571 https://doi.org/10.1089/pho.2015.4035
  • Fekrazad R. et al. Effect of photobiomodulation on mesenchymal stem cells. Photomedicine and laser surgery, 2016;11(34);533-542 https://doi.org/10.1089/pho.2015.4029
  • Bagratashvili, V. N., Bagratashvili, N. V., Gapontsev, V. P., Makhmutova, G. S., Minaev, V. P., Omel’chenko, A. I., ... & Tsypina, S. I. Change in the optical properties of hyaline cartilage heated by the near-IR laser radiation. Quantum Electronics, 2001;6(31):534 Doi: 10.1070/QE2001v-031n06ABEH001996
  • Ebert, D. W., Roberts, C. J., Farrar, S. K., Johnston, W. M., Litsky, A. S., & Bertone, A. L. (1998). Articular cartilage optical properties in the spectral range 300--850 nm. Journal of Biomedical Optics, 1998;3(3):326-333 Doi: 10.1117/1.429893
  • Sviridov, A. P., & Kondyurin, A. V. Optical characteristics of cartilage at a wavelength of 1560 nm and their dynamic behavior under laser heating conditions. Journal of Biomedical Optics, 2010;5(15):055003 Doi: 10.1117/1.3484749
  • Khan, B., Kafian-Attari, I., Nippolainen, E., Shaikh, R., Semenov, D., Hauta-Kasari, M., ... & Afara, I. O. Articular cartilage optical properties in the near-infrared (NIR) spectral range vary with depth and tissue integrity. Biomedical optics express, 2021;10(12):6066-6080 Doi: 10.1364/BOE.430053
Еще
Статья научная