Endoskopy, zařízení pro chirurgické odstraňování tkání a litotriptory Obsah přednášky Tato přednáška se zabývá následujícími biomedicínskými zařízeními: – Endoskopy – Lasery – Elektrochirurgickými přístroji – Ultrazvukovými chirurgickými přístroji – Kryochirurgickými zařízeními – „Vodním skalpelem“ – Litotriptory Endoskopie Ø Endoskopy jsou přístroje pro vizuální vyšetřování tělesných dutin. Jsou založeny na odrazu a lomu světla. Ø Do vyšetřovaných tělesných dutin jsou zaváděny buď přirozenými tělesnými otvory (dutinou nosní, hrtanem, hltanem, dýchacími cestami, močovou trubicí, pochvou, konečníkem) nebo chirurgickým řezem (do břišní dutiny, hrudníku, kloubů). Ø Endoskopy můžeme rozdělovat podle tří hledisek: složitosti, způsobu osvětlení a způsobu pozorování. Ø Podle složitosti rozlišuje tři skupiny endoskopů: • Endoskopická zrcadla • Endoskopy s pevnými tubusy • Fibroskopy a videoendoskopy Ø Endoskopy se také používají pro drobné chirurgické výkony, protože mohou být také vybaveny malými chirurgickými nástroji. Způsob osvětlení a pozorování Ø Osvětlení může být: – Vnitřní: zdroj světla je součástí zařízení – Vnější: vyšetřovaná dutina je osvětlena vnějším zdrojem (typickými představiteli této skupiny jsou endoskopická zrcadla). Ø U endoskopů s vnitřním osvětlením může být zdroj světla přímo v tělesné dutině (distální osvětlení) nebo mimo tuto dutinu (světlo je zaváděno do dutiny optickým systémem, proximální osvětlení). Ø Pozorování tělesné dutiny může být: – Přímé, jestliže lékař používá své vlastní oči za pomoci nějakého optického systému. – Nepřímé, jestliže je obraz snímán digitální videokamerou a pozorován na monitoru. Endoskopická zrcadla Ø Laryngoskop. Zrcadlo připomínající lžíci používané pro pozorování nosohltanu a zadní části dutiny nosní. Ø Otoskop. Nálevkovitý endoskop vkládaný do vnějšího zvukovodu pro vyšetření jeho distální části a ušního bubínku. Ø Rinoskop. Nástroj ve tvaru kleští s vnitřními konkávními odrážejícími plochami – pro vyšetřování přední části nosní dutiny. Ø Oční zrcátko. Ploché nebo konkávní zrcadlo s otvorem uprostřed. Slouží pro vybavení tzv. červeného reflexu – odrazu světla od sítnice. Ø Sítnice je vyšetřována přímou oftalmoskopií – oftalmoskop je malý průhledový endoskop se zdrojem světla a korekcí refrakční vady lékaře. Ø Vaginální zrcadla (kolposkop, speculum). Nástroj ve tvaru kleští s vnitřními konkávními odrážejícími plochami – pro vyšetřování pochvy a děložního čípku. Endoskopická zrcadla Endoskopická zrcadla Endoskopy s pevným tubusem Ø Pevné kovové trubice s optickým systémem a zabudovaným světelným zdrojem (proximálním nebo distálním). Nevýhody: poměrně velké ztráty světla a tuhost trubice. – Cystoskop – močový měchýř – Rektoskop – rektum a sigmoideum Ø Endoskopy zaváděné chirurgicky: – Laparoskop – dutina břišní. – Artroskop – klouby (zejména kolenní). Endoskopy s pevným tubusem Endoskopy s pevným tubusem Fibroskopy Vláknová optika, úplný odraz, mezní úhel. Nejmenší světelné ztráty jsou typické pro dvouvrstevná optická vlákna vyrobená ze skla nebo plastu. Jádro má vyšší index lomu (n[1]) než obal (n[2]). Úplný odraz nastává, když sina < (n[1]^2 - n[2]^2)^1/2. Vlákna tvoří svazky sloužící pro osvětlení a přenos obrazu. Fibroskopy Ø Fibroskopy umožňují odebírat vzorky tkání a provádět drobné chirurgické výkony. Jsou ohebné, takže s nimi lze vyšetřovat i části těla nepřístupné pro endoskopy s pevnými tubusy. Délka 130 - 140 cm. Ø V ohebném kabelu endoskopu se nacházejí: – 3 svazky optických vláken (2 pro osvětlení, 1 pro přenos obrazu), – trubice pro vodu a/nebo vzduch, – kanál pro zavádění chirurgických nástrojů a – ovládací táhla umožňující pohyb distálního konce endoskopu s objektivem, jenž poskytuje ostrý obraz ze vzdálenosti 3 - 100 mm. Ø Proximální konec endoskopu je vybaven okulárem zabudovaným do tuhé části endoskopu. Zde se nachází o ovládací zařízení pro manipulaci s distálním koncem endoskopu. Ø Součástí zařízení je též výkonný zdroj světla, vzduchový kompresor, vodní čerpadlo a vývěva. Fibroskopy Fibroskopy Videoendoskop Laser Ø Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – zesílení světla stimulovanou emisí záření. První rubínový laser byl zkonstruován T.H. Maimannem v r. 1960. Ø Hlavní části laseru: – Aktivní prostředí – Optický rezonátor – Zdroj excitační energie Ø Princip laseru: střídající se excitace a deexcitace. – Elektrony v atomech aktivního prostředí jsou excitovány (přivedeny do vyššího energetického stavu) zdrojem excitační energie („optické čerpání“). – Po deexcitaci budicím fotonem vznikají nové fotony o téže energii a proces se opakuje – nastává zesílení. – U takzvaných tříhladinových laserů je třetí energetická hladina široká, takže pro optické čerpání není nutno používat monochromatické (tj. monoenergetické) světlo. Protože rozdíl mezi druhou a třetí energetickou hladinou je malý, přeskok elektronů na druhou energetickou hladinu je spontánní („tepelný“) – elektrony čekají na této hladině na budicí foton. Tříhladinový laser Lasery Ø Pevné l. (kompaktní, polovodičové): rubínový laser (694,3 nm), neodymový (1,06 µm), Ø Polovodičové l. – založeny na principu elektroluminiscence. Ø Kapalinové l. Jako aktivní prostředí se používá roztok organického barviva. Výhoda: lze je naladit na různé vlnové délky (od blízké oblasti IR přes VIS po UV). Ø Plynové l.. Důležité pro lékařství. Helium-neonový laser (1,06 µm) a iontové lasery (argonový a kryptonový). CO[2]-N[2]-He-laser atd. Ø Plazmové l. Aktivním prostředím je plazma, např. plně ionizovaný uhlík – vyzařují měkké rentgenové záření. Ø Lasery mohou pracovat ve dvou režimech: spojitě a pulzně Ø Výkony laserů sahají od 10^-3 po 10^4 W. Nízkovýkonové lasery (soft-lasery) se používají hlavně ve fyzikální terapii. Lasery s vysokým výkonem se používají jako chirurgické nástroje (laserový skalpel). Účinky laserového záření Ø Laserové světlo je monochromatické a koherentní. To umožňuje soustředit laserový paprsek na malou plochu a dosáhnout výkonové hustoty, která umožňuje použít tento chirurgický nástroj i v mikrochirugii. Laserový paprsek může být zaměřován pomocí zrcadel, čoček nebo optických vláken. Fotony se absorbují v povrchové vrstvě tkání. Ø Tepelné účinky závisejí na výkonové hustotě světla a jeho vlnové délce. Využívají se hlavně v chirurgii a mikrochirurgii. Neteplné účinky jsou typické pro soft-lasery, málo závisejí na vlnové délce – jsou založené na molekulárních účincích (působení na enzymy dýchacího řetězce, zvyšování replikace mitochondriální DNA, zvyšování enzymové aktivity). Dochází též k ovlivňování membránových potenciálů, patrně prostřednictvím změn propustnosti membrán pro ionty Na^+, K^+ a Ca^++. Ø Laserové světlo má též fotodynamické účinky – chemické změny neaktivních látek ozářených laserovým světlem určité vlnové délky mohou vést k tvorbě biologicky aktivních (cytotoxických) sloučenin. Laserová terapie – bezpečnost Ø V neinvazivní fototerapii se používají výkony pod 500 mW. Lasery se dělí do tříd: – II (výkon do 1 mW), – IIIa (výkon do 5 mW) – IIIb (výkon do 500 mW). Ø Chirurgie: Výkonové lasery třídy IV Ø Bezpečnost: – Nálepky na laserech musí označovat třídu, – Od třídy IIIb též varování před poškozením očí fokusovaným paprskem – Zdravotnický personál stejně jako pacienti musí mít brýle, které absorbují laserové světlo dané vlnové délky. Terapie pomocí soft-laserů Ø Povrchové aplikace – krátké vlnové délky, hlubší aplikace – dlouhé vlnové délky (blízká IR oblast). Ø laserová pera jsou jednoduchá zařízení založená na laserových diodách, napájená bateriemi, s konstantním nastavením výkonu. Ø Malé lasery (kapesní) s výměnnými hlavicemi, mohou pracovat s různými frekvencemi impulsů. Ø Stolní lasery – uživatelský komfort, četné funkce a aplikace. Terapie pomocí soft-laserů Ø Analgetický účinek: zvyšování parciálního tlaku O[2], zvýšení klidového potenciálu ® snížení excitability. Ø Protizánětlivý účinek by měl být způsoben aktivací monocytů a makrofágů, zvýšenou fagocytózou, zvýšenou proliferací lymfocytů. Ø Biostimulační účinek: uvádí se zvýšená syntéza kolagenu, lepší krevní zásobení, rychlejší regenerace některých tkání. Ø Oblasti použití: laryngologie, zubní lékařství, ortopedie a gynekologie. Jen zřídka se laser užívá pro monoterapii. Ø Názor: většinou jde o placebový účinek, specifické působení soft-laserů je z vědeckého hlediska málo průkazné. Aplikace laserů s vysokým výkonem Všeobecná chirurgie: Laser může být použit jako optický skalpel s bezkontaktním řezem. Krevní cévy jsou koagulovány, takže řez prakticky nekrvácí. Rychlost řezání závisí na intenzitě (výkonové hustotě) a na vlastnostech tkáně. Nejčastěji používané lasery jsou infračervené, zejména CO[2] laser (10,6 mm) nebo Nd:YAG laser (1,064 mm). Oftalmologie: Vedle svého využití v mnoha optických vyšetřovacích přístrojích, jsou lasery používány zejména pro fotokoagulaci sítnice a tzv. fotoablaci rohovky za účelem odstranění refrakčních vad. Lasery používané pro fotokoagulaci jsou především Nd:YAG se zeleným světlem 532 nm a nastavitelným výkonem do 1,5 W. Pro odstraňování refrakčních vad rohovky – fotoablaci – se používají excimerové (excited dimers) ArF nebo KrF lasery. Emitují UV záření o vlnové délce 193 nm. Způsobují fotochemickou ablaci makromolekul kolagenu v rohovce (každý impuls odstraňuje vrstvu tkáně o tloušťce 0,1 – 0,5 mm). Cílem je změnit zakřivení rohovky a tím i její lámavost, což vede ke zlepšení vidění pacienta. http://www.dekamela.com/lasertessuto/fig5.gif Aplikace laserů s vysokým výkonem Ø V zubním lékařství se používají neodymové a erbiové YAG lasery. Nd:YAG laser (1,064 mm) se používá v ústní chirurgii a endodoncii. Er:YAG laser (2,940 mm) je využíván pro přesnou preparaci zubní skloviny a dentinu. Ø V dermatologii se používá rubínový laser (690 nm) nebo jiné typy laserů včetně Nd:YAG a alexandritového (nastavitelný od 720 do 830 nm, světlo je dobře pohlcováno melaninem v kůži). Hlavní aplikaci představuje fotokoagulace varikózních žil, odstraňování bradavic, tetování a vrásek i depilace. Aplikace laseru Elektrochirurgie Ø U těchto metod se využívá tepelných účinků vysokofrekvenčních elektrických proudů. Elektrody s hrotem nebo ostrým břitem (elektrokautery) umožňují dosahovat vysokých hustot proudu. Ø Tepelné účinky jsou tak velké, že dochází k vypařování vody v buňkách, což vyvolává jejich destrukci. Vysoké teploty vyvolávají koagulaci tkání a krve, takže nedochází ke krvácení. Pracovní frekvence elektrochirurgických zařízení je přibližně 3 MHz, výkon je nastavitelný až do 500 W a liší se podle účelu chirurgické intervence (50 W se používá v oční chirurgii a stomatochirurgii, vyšší výkony v hrudní či abdominální chirurgii a v traumatologii). Ø Elektrochirurgická zařízení jsou vybavena elektrodami pro elektrokoagulaci, které slouží k zástavě krvácí v důsledku koagulace krevních bílkovin. Elektrochirurgie Elektrochirurgie Endoskopická elekrochirurgie Ultrazvukové nástroje Ø Ultrazvuk o vysoké intenzitě (50-1000 W.cm^-2) může být v chirurgii použit pro selektivní rozrušování tkání. Ø 1. Fokusovaný ultrazvuk o vysoké frekvenci (1-3 MHz) pro selektivní rozrušování struktur měkkých tkání. Tato zařízení jsou klinicky testována pro odstraňování nádorů prsu. Ø 2. Nízkofrekvenční ultrazvuk (20 - 50 kHz) je relativně běžně využíván v chirurgii. Ultrazvuk vytvářený piezoelektrickými nebo magnetostrikčními generátory je emitován do tkáně pomocí speciálních vlnovodů schopných zesílit amplitudu ultrazvukových kmitů až desetinásobně. Ocelový nástroj s ostřím nebo měnitelný hrot je připevněn ke konci vlnovodu. Hrotový nástroj může být dutý, což umožňuje odsávat (aspirovat) rozrušenou tkáň. Ultrazvukové nástroje Aspirátor. Akustický vibrátor se vlivem akustických kmitů zkracuje a prodlužuje. Amplituda pohybu hrotu je přibližně 200 pm. Hrot se pohybuje s velkou rychlostí i zrychlením, což spolu s kavitací způsobuje rozrušování přiléhající tkáně. Ultrazvukové nástroje Zdroj nízkofrekvenčního intenzivního ultrazvuku - fakoemulgátor - je nenahraditelnou pomůckou v oční chirurgii při extrakci zakalené čočky (katarakty). Emulgovaná čočka je okamžitě odsávána (aspirována). Ultrazvukové nástroje v zubním lékařství Ø Hlavní aplikační oblast: odstraňování zubního kamene. Ultrazvukové nástroje pro odstraňování zubního kamene jsou rychlé a účinné. Tvoří je dvě hlavní části: zdroj elektrických kmitů potřebných pro buzení magnetostrikčního nebo piezoelektrického měniče – zdroje ultrazvuku - a vlastní nástroj s měničem pracujícím s frekvencí kolem 40 kHz. K měniči jsou připojeny různě tvarované pracovní koncovky. Některá zařízení jsou vybavena vodním sprejem (oplachování a chlazení). Ø Mechanismus ultrazvukového odstraňování zubního kamene: – Přímý účinek ultrazvukových kmitů koncovky na usazeniny – Ultrazvuková kavitace – Ultrazvukové mikroproudění Schématické znázornění UZ odstraňovače zubního kamene (nahoře s magnetostrikčním, dole s piezoelektrickým měničem) Ø Poněkud jednodušší a levnější alternativou ultrazvukových nástrojů pro odstraňování zubního kamene je odstraňovač zvukový. Kmity o frekvenci slyšitelného zvuku se získávají mechanicky pomocí nevyvážené vzduchové turbínky. Ø Dalšími nástroji využívajícími ultrazvukových kmitů jsou endodontické nástroje pro rozšiřování kořenových kanálků. Na rozdíl od rotačních kořenových nástrojů kmitají podélně s frekvencí 30 - 50 kHz. Mají podobu buď tenké ocelové spirálky nebo jsou mírně kónické a pokryté drobnými diamanty. Hlavním účinným mechanismem je mechanická abraze stěn kořenového kanálku zesílená ultrazvukovou kavitací. Kryochirurgie Ø Teploty od -25 °C do -190 °C vytvářejí ledové krystalky uvnitř buněk i v mezibuněčném prostoru. K lýze buněk dochází při tání ledu. Ø Výhodou je omezení destrukce tkáně pouze na zmrzlou oblast a šetření blízké zdravé tkáně. Zmrazování má anestetický účinek, takže tyto zákroky jsou jen málo bolestivé. Rána prakticky nekrvácí. Zmražená tkáň se někdy přichytí k nástroji, což lze využít k její extrakci (kryoextrakce oční čočky při operaci zákalu). Aplikace nacházíme v oční chirurgii, urologii, onkologii, gynekologii a plastické chirurgii. Ø Kryochirurgická zařízení používají pro dosažení nízkých teplot kapalný dusík (-196 °C) nebo jiné plyny. Vlastní kryochirurgický nástroj – kryokauter – má mrazicí část na distálním konci. Tato část je měnitelná a má různý tvar podle druhu zákroku. Pro kontrolu teploty se používají digitální teploměry. Kryochirurgie Kryochirurgie Kryochirurgie Vodní paprsek jako chirurgický nástroj Zařízení se skládá z tlakového čerpadla, vysokotlaké trubice a pracovní části produkující na konci vodní paprsek o průměru 0,1 mm. Obvykle se využívají tlaky v rozsahu od 1,5 do 5,0 MPa. Řezné plochy jsou hladké. Paprsek je tvořen sterilním izotonickým roztokem, někdy s přidanými léčivy pro omezení krvácení a proti infekci. Uvádí se, že řez je výborně kontrolovatelný, což je významné zejména při chirurgii mozku a parenchymatózních orgánů, jako jsou játra nebo slezina. Litotripse Ø Počátkem osmdesátých let byla zavedena do klinické praxe mimotělová litotripse rázovými vlnami (extracorporeal shock-wave lithotripsy, ESWL). K rozrušování kaménků (ledvinových, žlučníkových) dochází účinkem mnohočetných rázových vln – silných impulsů akustického tlaku. Drť odchází z těla přirozenými vývodnými cestami. Jde o jednu z tzv. minimálně invazivních metod. Ø Na akustických rozhraních nastává v důsledku rozdílu akustických impedancí rychlý nástup tlakového gradientu. Jestliže tlaková síla překoná mechanický odpor kamene, dochází k jeho postupné fragmentaci. K tomu jsou nutné tlaky kolem 10^8 Pa. Je nutno aplikovat 50 až 4000, v průměru 1000, rázových vln (synchronně s tepovou frekvencí). Ø Hlavní části litotriptoru: zdroj rázových vln, fokusující zařízení, vazebné prostředí, zařízení pro přesné zaměření kamene (ultrasonograf nebo rtg přístroj). Litotripse časový průběh rázové vlny Litotripse generování rázových vln a jejich fokusace Litotripse Destrukce ledvinového kamene http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/imagepages/19246.htm Litotripse (začátky) www.uni-duesseldorf.de/.../Urologie/ Klinik/lithotry.htm. Litotripse - litotriptor v klinické praxi Litotripse – český litotriptor MEDILIT M Léčba rázovými vlnami (ESWT – extracorporeal shock-wave therapy) Léčba kalcifikací v rameni, rozbíjení ostruhy kosti patní www.physio-chelsea.co.uk/ shockwave.htm. Poslední revize: září 2009