Research Fellow
науч. сотр.
PhD (in Physics and Mathematics), Senior Research Fellow
канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.
Research Fellow
науч. сотр.
PhD (in Engineering), Deputy Director
канд. техн. наук, заместитель директора
Background: Elaboration of automatized and robotic systems for precision and minimally traumatic surgery is one of the main areas of modern surgery. The concept of the so-called “smart” laser scalpels seems a promising technical solution in this field. Aim: To develop organizational principles of a feedback smart surgical laser devices based on CO₂ and fiber lasers. Materials and methods: As laser sources, we used a one mode wave CO₂ laser with a power of up to 25 W, high frequency pumping of the active media and radiation wavelength of 10.6 mcm, as well as a one mode fiber Er laser with a power of up to 5 W and radiation wavelength of 1.54 mcm. The laser device feedback was organized with an autodynic control of laser evaporation of biological tissues. The “smart” laser scalpel effects were studied in the porcine tissues in vitro. The feedback laser devices were tested on normal and tumor animal tissues (white rats) in vitro and in vivo. Also, we tested the possibility of diagnostics of laser evaporation on human tumor tissues. Results: Taking the one mode CO₂ laser and one mode fiber Er laser as examples, it was shown that an autodynic signal arising during evaporation of various biological tissues has different spectral characteristics. This makes the bases for organization of a feedback in surgical devices functioning as a “smart” scalpel. A “smart” surgical feedback device based on CO₂ laser and a decoy of a “smart” surgical device based on a fiber Er laser were developed. We studied the possibilities of differential diagnostics of a type of a tissue being evaporated in vitro with the use of the data from laser scalpels. Also, pre-clinical trials of a CO₂ laser-based “smart” surgical device on biological tissues were performed. The trials showed that such a “smart” laser scalpel allows for intra-operative differentiation between normal and tumor tissues that would give the possibility to implement minimally traumatic surgery principles. Conclusion: The method of autodynic diagnostics of laser evaporation of biological tissues allows for development of surgical devices functioning as a “smart” laser. It gives the possibility of a real-time differentiation of various types of tissues, including normal and tumor ones.
Актуальность. Создание автоматизированных и роботизированных систем для обеспечения прецизионности и малотравматичности операции – одно из главных направлений современной хирургии. Концепция так называемых умных лазерных скальпелей представляется перспективным техническим решением в этом направлении. Цель – разработка принципов организации обратной связи для интеллектуальных лазерных хирургических установок на основе CO₂- и волоконных лазеров. Материал и методы. В качестве лазерных источников использовали одномодовый волноводный CO₂-лазер мощностью до 25 Вт с высокочастотной накачкой активной среды, длиной волны излучения 10,6 мкм, а также одномодовый волоконный эрбиевый лазер мощностью до 5 Вт, длиной волны излучения 1,54 мкм. Методом организации обратной связи в хирургической лазерной установке послужил автодинный метод контроля лазерного выпаривания биотканей. Объектами воздействия «умного» лазерного скальпеля стали ткани свиньи in vitro. Осуществлено тестирование лазерных установок с обратной связью на здоровых и опухолевых тканях животных (белые крысы) in vitro и in vivo. Производилось тестирование возможности диагностики лазерного выпаривания опухолевых тканей человека. Результаты. На примере одномодового CO₂-лазера и одномодового волоконного эрбиевого лазера показа- но, что автодинный сигнал, возникающий при выпаривании разных биологических тканей, имеет разные спектральные характеристики. Это создает основу для организации обратной связи в хирургических установках, работающих по принципу «умного» скальпеля. Разработаны «интеллектуальная» хирургическая установка с обратной связью на основе CO₂-лазера и макет «интеллектуальной» хирургической установки на основе волоконного эрбиевого лазера. Выполнены исследования возможностей дифференциальной диагностики типа испаряемой биологической ткани in vitro с использованием данных лазерных скальпелей. Проведены доклинические испытания на биологических тканях in vivo «интеллектуальной» хирургической установки на основе CO₂-лазера. Испытания показали, что такой «умный» лазерный скальпель позволяет оперативно отличать здоровую ткань от опухолевой, благодаря чему можно реализовать принципы малотравматичной операции. Заключение. С помощью метода автодинной диагностики лазерного испарения биологических тканей можно создавать хирургические установки, работающие по принципу «умного» скальпеля, который в режиме реального времени позволяет дифференцировать разные типы ткани, а также отличать здоровую ткань от опухолевой.