Волоконные световоды в медицине

Абрахам Катцир

Приборы для прямого наблюдения внутренних органов, датчики для надежного анализа крови и лазерные системы для внутренних хирургических операций — вся эта медицинская техника основана на применении оптических волокон

Волоконные световоды, сыграв огромную роль в развитии связи, оказывают революционизирующее влияние на методы наблюдения, диагностики и лечения в медицине. Эти сверхтонкие гибкие волокна открыли окно в живую ткань человеческого тела. Вводя волоконные световоды в естественные отверстия или в небольшие надрезы и пропуская их по имеющимся в теле человека каналам, врачи могут внимательно рассматривать бронхи легких, складки кишечника, камеры сердца и многие другие внутренние органы, которые ранее для такого тщательного наблюдения были недоступны. Помещая волоконно-оптические датчики в кровоток, врачи могут делать быстрые и надежные биохимические анализы непосредственно у постели больного, в смотровом кабинете или в операционной. Все иные методы анализа крови требуют некоторого ее количества для последующих лабораторных исследований. Направляя по световоду лазерное излучение, врачи могут даже выполнять хирургические операции внутри человеческого тела, что иногда позволяет избежать обычной процедуры хирургического вмешательства, связанного с разрезанием здоровой ткани, чтобы иметь доступ к очагу заболевания.

Передавая лазерное излучение по волоконным световодам, гастроэнтерологи, например, прижигают кровеносные сосуды для остановки кровотечения в кишечнике, кардиологи начали разрушать бляшки и тромбы в периферийных артериях, а нейрохирурги скоро смогут восстанавливать нервные волокна в головном и спинном мозге. Волоконно-оптические приборы помогут объединить диагностику и лечение, например путем совмещения средств обнаружения раковых клеток со способами разрушения их без повреждения соседних здоровых тканей.

Многие диагностические и лечебные процедуры с использованием волоконных световодов не требуют обезболивания и могут быть надежно и без риска для здоровья выполнены во врачебном кабинете; следовательно, дальнейшее развитие волоконно-оптической техники должно уменьшить риск и стоимость медицинского обслуживания. Возможно, что применение волоконно-оптических средств сделает небезнадежной медицинскую помощь в тех случаях, когда обычные хирургические операции опасны или вообще невозможны, например у малолетних детей или у людей преклонного возраста.

Применение волоконных световодов в медицине началось с использования в диагностической практике систем передачи изображений, называемых фиброскопами. Первый фиброскоп, предназначенный для осмотра желудка и пищевода был сконструирован в 1957 г. сотрудниками Медицинской школы при Мичиганском университете Б. Хиршовицем и Л. Куртисом. С тех пор такие приборы существенно усовершенствовали, и теперь их можно использовать для осмотра практически всех органов человека. Действительно, в медицине волоконные световоды в основном используются в фиброскопах. Современный фиброскоп состоит из двух жгутов волоконных световодов: по одному подводится свет к биотканям, а по другому передается изображение к наблюдателю.

Осветительный жгут подсоединяется к мощному источнику света, такому как ксеноновая дуговая лампа. Свет входит в сердцевины световодов, изготовленные из высокочистого кварцевого стекла. Такое стекло в 10000 раз более прозрачно, чем оконное, и поэтому без больших потерь может проводить свет на многокилометровые расстояния. Поскольку свет стремится выйти из сердцевины световода, ее окружают оболочкой, отражающей большую часть выходящего света обратно в сердцевину. Именно таким способом свет передается по всем волоконным световодам.

Отраженный от живой ткани свет собирается линзой и фокусируется на приемный торец другого жгута, предназначенного для наблюдения. Каждый волоконный световод в этом жгуте принимает только ту часть отраженного света, которая распространяется под небольшими углами к его оси, поэтому каждый световод передает только малую часть общего изображения. Отдельные световоды в жгуте склеены между собой только на его концах, что обеспечивает ему гибкость и в то же время устраняет перемешивание отдельных частей передаваемого изображения. Восстановленное изображение можно наблюдать в окуляр, записывать на видеопленку или воспроизводить на телевизионном экране. Поскольку в одном жгуте диаметром менее одного миллиметра могут находиться тысячи световодов, фиброскоп может передавать изображения с высоким пространственным разрешением и практически совершенной цветопередачей.

Осветительный и передающий изображение жгуты могут быть легко вставлены в катетер диаметром несколько миллиметров. Такой фиброскоп можно затем ввести в естественные отверстия в человеческом теле и приблизить его торец к ткани на расстояние от 5 до 100 мм.

Часто фиброскопы являются частью более сложных инструментов, называемых эндоскопами, у которых имеются дополнительные вспомогательные каналы, благодаря которым функции медицинского прибора расширяются. По одному из каналов, например, для улучшения видимости можно отвести жидкость из организма либо ввести воду или воздух для очистки раны от инородных веществ или органических остатков. Другой канал может содержать тонкие проволочки для поворота конца эндоскопа. Через третий канал можно ввести крошечные скальпели для разрезания биоткани и удаления полипов, а также иглы для впрыскивания лекарств. Большая часть производимых в настоящее время эндоскопов имеет длину от 0,3 до 1,2 м и диаметр от 2,5 до 15 мм.

Волоконные световоды могут передавать лазерное излучение по венечным артериям для разрушения бляшек. Один из приборов, который может быть разработан уже в ближайшем будущем, включает в себя фиброскоп, надуваемую манжету и силовой световод. Его можно будет вводить через плечевую артерию в венечную артерию. Фиброскоп позволит медикам визуально обнаруживать бляшки или другие закупорки сосудов. Затем манжету можно надуть для временной остановки кровотока, а переданное по силовому световоду лазерное излучение разрушит бляшку. После выпуска воздуха из манжеты поток крови восстанавливается

Волоконные световоды могут передавать лазерное излучение по венечным артериям для разрушения бляшек. Один из приборов, который может быть разработан уже в ближайшем будущем, включает в себя фиброскоп, надуваемую манжету и силовой световод. Его можно будет вводить через плечевую артерию в венечную артерию. Фиброскоп позволит медикам визуально обнаруживать бляшки или другие закупорки сосудов. Затем манжету можно надуть для временной остановки кровотока, а переданное по силовому световоду лазерное излучение разрушит бляшку. После выпуска воздуха из манжеты поток крови восстанавливается

С помощью таких приборов медики могут рассматривать внутреннюю полость пищеварительной, кровеносной, дыхательной и мочеполовой системы человека, брать небольшие образцы биотканей для лабораторных анализов и даже выполнять хирургические операции. При обследовании фиброскопом медики могут обнаруживать полипы в толстой кишке, чужеродные предметы в легких, опухоли в пищеводе и затем удалять их с минимальным хирургическим вмешательством.

Освоенное в последние годы производство сверхтонких световодов позволило уменьшить диаметр фиброскопов и увеличить количество световодов в жгуте для наблюдений, что в свою очередь улучшило его разрешение. Новейшие фиброскопы содержат до 10 000 волоконных световодов в жгуте диаметром менее одного миллиметра. Он может разрезать предметы с поперечными размерами в 70 мкм. Такой фиброскоп, введенный через артерию на плече человека, может передавать изображение клапанов сердца, а также закупорок в венечных артериях — сосудах, снабжающих сердце кровью.

Кроме получения изображений с помощью волоконно-оптических систем можно делать прямой и быстрый биохимический и клинический анализы крови и решать другие проблемы физиологии человека. Основным элементом такой системы является волоконный световод, вводимый через катетер в тело человека. Наружный торец световода подсоединяется к источнику света и оптическому прибору, анализирующему отраженный свет. Другой конец световода посылает свет либо непосредственно на нужные участки тела, либо на миниатюрные датчики, называемые оптодами. Отраженный свет подводится по световоду к анализатору, который замеряет такие параметры, как длина волны и интенсивность, и выдает информацию о физиологическом состоянии организма.

Фиброскоп (вверху) может передать изображение желудка и многих других органов. Линза фокусирует свет от лампы на вход жгута из волоконных световодов. Прошедший по световодам свет освещает полип в желудке. Отраженный от полипа свет фокусируется линзой на торец жгута световодов. Каждый световод в жгуте передает часть полного изображения. Когда свет выходит из наружного конца жгута, изображение полипа восстанавливается и его можно увидеть в окуляр. Фотографии полипов (вставленные на верхнем рисунке) получены с помощью фиброскопа в клинике Мэйо. Фиброскопы часто входят в более сложные приборы, называемые эндоскопами (справа), которые также имеют каналы для введения других приспособлений

Фиброскоп (вверху) может передать изображение желудка и многих других органов. Линза фокусирует свет от лампы на вход жгута из волоконных световодов. Прошедший по световодам свет освещает полип в желудке. Отраженный от полипа свет фокусируется линзой на торец жгута световодов. Каждый световод в жгуте передает часть полного изображения. Когда свет выходит из наружного конца жгута, изображение полипа восстанавливается и его можно увидеть в окуляр. Фотографии полипов (вставленные на верхнем рисунке) получены с помощью фиброскопа в клинике Мэйо. Фиброскопы часто входят в более сложные приборы, называемые эндоскопами (справа), которые также имеют каналы для введения других приспособлений

Во многих случаях медицинское обследование с применением волоконно-оптических устройств может оказаться точнее, надежнее и экономически эффективнее по сравнению с традиционными методами, которые основаны на лабораторных анализах жидкостей, взятых из организма. Волоконно-оптические системы устраняют задержки анализов и уменьшают вероятность ошибок. Кроме того, волоконно-оптические датчики химически не взаимодействуют с тканями организма, не вызывают реакцию иммунной системы. Они долговечнее, универсальнее и потенциально безопаснее по сравнению с микроэлектронными приборами, также предназначенными для сбора данных о функциональной деятельности организма и вводимыми внутрь человеческого тела. Некоторые медицинские волоконно-оптические приборы уже поступили в продажу, в то время как многие другие только проходят клинические испытания.

Измерения скорости кровотока с помощью волоконно-оптических средств основываются на замерах параметров света, отраженного от клеток крови. Для этого через катетер в артерию вводится световод, по которому посылается слабое лазерное излучение, попадающее на красные клетки крови. Когда свет рассеивается на движущихся клетках, его длина волны изменяется за счет действия известного эффекта Допплера. Чем быстрее клетка движется к выходному торцу световода, тем меньше длина волны рассеянного ею света. Некоторая часть этого света попадет в световод и пройдет обратно к его входному торцу. Здесь датчик определит разницу между длинами волн лазерного и рассеянного излучений и рассчитает скорость кровотока вблизи выходного торца световода.

О первых экспериментах, демонстрирующих этот метод, сообщалось почти три десятилетия назад, однако клинические испытания приборов начались только в последние годы. Мгновенные измерения скорости кровотока с помощью новых средств помогут медикам определять, достаточное ли количество крови поступает к жизненно важным органам.

Волоконные световоды позволяют также непосредственно определять содержание кислорода в крови. Гемоглобин (химическое вещество, ответственное за перенос кислорода кровью) отражает значительно больше красного света, когда он несет кислород, чем когда кислорода нет. Инфракрасный же свет отражается от всех молекул гемоглобина одинаково, независимо от содержания кислорода в них. Поэтому если красный и инфракрасный свет одновременно пропускаются по волоконному световоду в кровь, то интенсивность отраженного красного света пропорциональна количеству переносящего кислород гемоглобина, в то время как интенсивность отраженного инфракрасного излучения является мерой полного содержания гемоглобина в крови. Этот метод, используемый теперь в обычной медицинской практике, помогает установить, насколько кровь пациента способна переносить кислород, а сердце и легкие поставлять его организму.

Волоконно-оптический датчик может измерять давление в артериях, мочевом пузыре и мочеиспускательном канале. Датчик состоит из прикрепленной к концу световода трубки, дальний конец которой герметизирован тонкой отражающей мембраной. Когда давление вне трубки больше, чем внутри (слева), мембрана прогибается внутрь, образуя выпуклое зеркало, которое отражает обратно в световод лишь часть света. Если же давление вне трубки ниже, чем внутри (справа), мембрана изгибается наружу и образующееся при этом вогнутое зеркало фокусирует в световод больше света

Волоконно-оптический датчик может измерять давление в артериях, мочевом пузыре и мочеиспускательном канале. Датчик состоит из прикрепленной к концу световода трубки, дальний конец которой герметизирован тонкой отражающей мембраной. Когда давление вне трубки больше, чем внутри (слева), мембрана прогибается внутрь, образуя выпуклое зеркало, которое отражает обратно в световод лишь часть света. Если же давление вне трубки ниже, чем внутри (справа), мембрана изгибается наружу и образующееся при этом вогнутое зеркало фокусирует в световод больше света

Миниатюрные датчики, присоединенные к концам волоконных световодов, позволили проводить измерения большого числа других физиологических параметров (см. рисунок выше). Так, разработаны датчики для измерения давления в артериях, мочевом пузыре, мочеиспускательном канале (уретре) и в прямой кишке. Чувствительный датчик для этих целей состоит из маленькой трубки, прикрепленной к концу световода. Другой конец трубки герметизирован тонкой отражающей мембраной. Когда давление внутри и снаружи трубки одинаково, мембрана остается плоской и свет, прошедший по световоду, отражается обратно в него. Если давление вне трубки больше, чем внутри, мембрана прогнется внутрь, образуя выпуклое зеркало, которое будет отражать в световод уже меньшее количество света. Если же давление вне трубки ниже, чем внутри, мембрана изогнется наружу, и образующееся при этом вогнутое зеркало сфокусирует в световод больше света, чем плоская мембрана. В ряде клинических испытаний было получено хорошее соответствие между результатами измерений волоконно-оптическими приборами и результатами обычных измерений.

Разрабатываются также датчики, анализирующие биохимические характеристики крови. Датчики для измерения рН крови основываются на применении органических красящих веществ, которые люминесцируют под воздействием ультрафиолетового излучения. Изменение рН крови вызывает более яркую люминесценцию некоторых красителей, в то время как люминесценция других красителей при этом не изменяется. Помещенные в оболочку из пористого полимера, такие красители прикрепляются к концу световода. Полимер пропускает через себя ионы водорода, но не дает более крупным ионам взаимодействовать с красителем и разрушать его. В медицинской практике этот датчик может измерять рН крови с точностью до 0,01.

В датчики подобных конструкций вводят также различные биомолекулы, такие как ферменты и антитела. Изменения флуоресцирующей способности этих биомолекул может указать на наличие или отсутствие специфических химических соединений в довольно сложных смесях, таких как кровь или другая ткань. Волоконный же световод передает информацию отдатчика к процессору,который анализирует ее и выдает результаты измерений для большого числа химических соединений, содержащихся в теле человека. Такие датчики уже применяются для контроля концентраций глюкозы и пенициллина и скоро их можно будет использовать для измерений концентраций лекарственных веществ, гормонов, токсинов, продуктов метаболизма и микроорганизмов.

Правый желудочек сердца человека сфотографирован через сверхтонкий фиброскоп, введенный в плечевую артерию. Фиброскоп, диаметр которого меньше одного миллиметра, разработан в фирме Оlуmрus Corporation в Токио

Правый желудочек сердца человека сфотографирован через сверхтонкий фиброскоп, введенный в плечевую артерию. Фиброскоп, диаметр которого меньше одного миллиметра, разработан в фирме Оlуmрus Corporation в Токио

В последние годы наиболее значительным применением волоконных световодов в медицине была передача энергии лазерного излучения внутрь человеческого тела для хирургических и терапевтических целей. Взаимодействие лазерного излучения с тканями человека зависит от длины волны и интенсивности используемого излучения. Хотя каждый вид лазера обычно излучает свет одной длины волны, или цвета, сейчас имеется широкий набор лазеров, излучающих свет в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах спектра. Поглощение света живыми тканями зависит от длины волны света и от свойств хромофоров — содержащихся в ткани окрашенных агентов, таких как гемоглобин, меланин и кератин. Поэтому излучение лазера с определенной длиной волны воздействует лишь на определенные ткани и вызывает характерные только ей фотохимические реакции.

Маломощное лазерное излучение обычно вызывает слабый, локальный нагрев, который приводит к коагуляции белков и свертыванию крови. Поэтому с помощью лазерного луча можно сращивать плотные ткани и таким путем заживлять раны или соединять кровеносные сосуды. Мощное лазерное излучение уничтожает ткань в основном путем испарения из нее воды. Оно также прижигает разрезы, так что в процессе операции теряется минимальное количество крови. Для хирургических применений требуются лазеры непрерывного излучения мощностью от 10 до 100 Вт и импульсного излучения с пиковой мощностью от 1000 до 10000 Вт. Поскольку такие мощности воздействуют на ткань на площади менее одного квадратного миллиметра, плотности мощности при этом примерно равны тем, которые были бы необходимы в пучковом оружии для пробивания оболочки управляемой ракеты, находящейся в фазе ускорения.

Проблема передачи столь мощных лазерных излучений по волоконным световодам была предметом пристального внимания специалистов на протяжении последних двух десятилетий. Все волоконные световоды в какой-то степени ослабляют проходящее по ним излучение за счет поглощения и рассеяния. Частично это ослабление обусловлено собственными свойствами материала световода, оно зависит от длины волны света и мощности передаваемого излучения. Энергия лазерного луча может также ослабляться в результате рассеяния на поверхности световода или на дефектах внутри его. Все эти причины ограничивают уровень мощности лазерного излучения, которое можно передать по световоду к месту операции. Если мощность вводимого в световод излучения превышает некоторый критический уровень, его торцы могут перегреться, расплавиться и даже испариться. В последние годы многие из этих трудностей были преодолены открытием новых материалов для волоконной оптики и разработкой методов изготовления высокочистых световодов из этих материалов.

Рентгеновские снимки бедренных артерий демонстрируют достижения лазерной балонно-катетерной ангиопластики. На снимке слева артерия полностью заблокирована. После воздействия лазерного излучения от исходной закупорки осталось только 30% (в центре). Для расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надуваемым баллончиком, после чего нормальный кровоток восстанавливается (справа)

Рентгеновские снимки бедренных артерий демонстрируют достижения лазерной балонно-катетерной ангиопластики. На снимке слева артерия полностью заблокирована. После воздействия лазерного излучения от исходной закупорки осталось только 30% (в центре). Для расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надуваемым баллончиком, после чего нормальный кровоток восстанавливается (справа)

В противоположность световодам на основе кварцевого стекла, используемым в системах наблюдения и диагностики в медицине, световоды для лазерной хирургии изготавливаются из довольно необычных материалов. Кварцевые световоды предназначены для передачи зеленого излучения аргонового лазера, ультрафиолетового излучения эксимерных лазеров и ближнего инфракрасного излучения ИАГ: Nd-лазера (по названию лазерного материала — кристалла иттрий-алюминиевого граната с добавками Nd, новнеодима). По таким световодам передавали непрерывное лазерное излучение мощностью до 100Вт, достаточной для большинства хирургических целей. Несмотря на это, исследователи продолжают поиск материалов для световодов, которые смогли бы эффективно пропускать излучение инфракрасных лазеров, особенно лазера на двуокиси углерода. В настоящее время лучшими инфракрасными световодами для этой цели являются поликристаллические световоды, изготавливаемые из кристаллов галогенидов металлов.

Первый медицинский прибор, объединивший в себе лазеры и волоконные световоды, был разработан в 1973 г. для контроля за кровотечением при язве желудка. Он состоял из фиброскопа для проведения визуальных наблюдений и отдельного силового световода для передачи лазерного излучения, которым прижигали язву. С тех пор такие приборы успешно лечат кровоточащие язвы в желудке, кишечнике и толстой кишке. Передающие лазерное излучение световоды служат также для разрушения камней в почках. Однако наиболее интересная перспектива терапевтического применения лазерно-световодных систем заключается в лечении сердечно-сосудистых заболеваний и локальных опухолей.

Многие наиболее тяжелые формы сердечно-сосудистых заболеваний развиваются вследствие утолщения стенок артерий кальцифицированными жиросодержащими отложениями, называемыми атеросклеротическими бляшками, или закупорки сосудов сгустками крови. Если при этом нарушается циркуляция крови, возникают внезапные сердечные приступы, инсульты или гангрена конечностей. Сегодня для лечения закупорки венечных артерий медики могут прибегнуть к методу, называемому подкожной коронарной ангиопластикой. При этом методе используется специальный катетер, имеющий на конце крошечный баллончик. Если артерия закупорена только частично, в область ее сужения можно ввести конец катетера. Затем баллончик надувают, так что он надавливает на стенки сосуда и его просвет увеличивается. Этот метод неприменим при полном перекрытии кровеносных сосудов, да и положительные результаты его применения могут быть только временными.

В таких случаях медики могли рекомендовать только более радикальную хирургическую процедуру, известную как аортокоронарное шунтирование, при которой взятая из ноги вена через вскрытую грудную клетку вживляется вместо блокированной артерии. Хотя операция шунтирования обычно восстанавливает кровоток к сердцу, она является дорогостоящей и сильно травмирующей процедурой, требующей длительного восстановительного периода.

Разработка волоконных световодов, способных пропускать лазерное излучение большой мощности, сделала доступными несколько новых методов устранения закупорок артерий, известных как лазерная ангиопластика (пластическая операция на сосудах). В одной группе методов на выходной конец световода надевается маленький металлический наконечник. Если такой световод ввести в закупоренную артерию и по нему пропускать лазерное излучение, металлический наконечник нагреется и расплавит закупорку. Метод требует тщательного контроля, поскольку нагретый наконечник может прилипнуть к стенкам артерии или даже прожечь их. Сейчас имеется уже несколько успешно работающих установок для лазерной ангиопластики.

Другой метод, потенциально более эффективный, но и более сложный в техническом исполнении, основан на непосредственном удалении бляшек лазерным пучком. Первые экспериментальные установки такого типа включали в себя аргоновый лазер, излучающий зеленый свет. Этот лазер был выбран благодаря его высокой надежности и высокой эффективности передачи его излучения по обычным кварцевым световодам. Эксперименты, однако, показали, что поглощенный зеленый свет вызывает обширные тепловые разрушения близлежащих тканей и недостаточно эффективно удаляет бляшки. Эти проблемы оказалось возможным преодолеть с помощью импульсного ультрафиолетового или инфракрасного лазерного излучения. Недавно В. Грундфест, Дж. Форрестер и Ф. Литвак из Медицинского центра Седарс-Синай в Лос-Анджелесе испытали установку с ультрафиолетовым эксимерным лазером и кварцевым световодом. С помощью примененной ими установки были успешно очищены от закупорок венечные артерии у нескольких пациентов.

Основными проблемами, которые в этой области лазерной медицины еще необходимо решить, являются сложность управления лазерным пучком внутри артерии и проблема выявления пораженных участков артерии. В будущих «изящных» системах, использующих флюоресценцию и эндоскопию, эти задачи будут решены и кровеносные сосуды будут защищены от прожигания.

Мои коллеги из Тель-Авивского университета и я считаем, что в самом ближайшем будущем новые волоконные световоды, способные передавать инфракрасное излучение: лазера на двуокиси углерода, позволят создавать хирургические системы, отличающиеся большей безопасностью, надежностью и долговечностью. Мы испытали такую систему на имплантации закупоренных бляшками человеческих артерий в тела животных. Затем для очистки артерии от бляшек в артерии вводились волоконные световоды, по которым пропускали излучение лазера на двуокиси углерода.

Современное состояние дел в рассматриваемой области позволяет предположить, что в течение нескольких ближайших лет такие хирургические инструменты будут усовершенствованы и встроены в прибор, снабженный фиброскопом и различными чувствительными датчиками. Такой лазерный эндоскоп будет, вероятно, иметь диаметр меньше двух миллиметров, причем фиброскоп в нем займет лишь около половины объема. Прибор будет включать также силовой волоконный световод для передачи инфракрасного, ультрафиолетового или видимого лазерного излучения. Волоконно-оптические датчики в нем будут служить для измерения кровяного давления, температуры и скорости кровотока, а еще один канал позволит прокачивать через эндоскоп жидкости и газы.

Такой эндоскоп подобно обычному катетеру можно будет вводить в венечные артерии, при этом медики смогут наблюдать за закупорками артерий и измерять в них давление и скорость кровотока. С помощью надуваемого баллончика (манжеты) можно будет остановить кровоток, а затем ввести через промывочный канал прозрачный физиологический раствор, который очистит артерию от остатков крови. Лазерное излучение, передаваемое по силовому световоду, разрушит найденные закупорки, а образующиеся при разрушении бляшек газы будут откачены по отводному каналу эндоскопа или выведены самим организмом. Операционным процессом будут управлять связанные с вычислительным устройством волоконно-оптические датчики, которые также предотвратят перегрев торцов световода и иссечение здоровых кровеносных сосудов. После завершения ангиопластической операции из баллончика выпускается воздух и для подтверждения того, что венечная артерия вновь открыта, измеряется скорость кровотока.

Другим новым применением волоконных световодов являются обнаружение и лечение небольших злокачественных опухолей. Например, для выявления очень малых опухолей в легких, которые невозможно обнаружить ни при помощи компьютерной томографии, ни рентгеновским просвечиванием, исключительно удачным оказался диагностический метод флюоресцентной эндоскопии. При этом методе пациенту в течение нескольких дней вводится производная гематопорфирина — краситель, который под воздействием ультрафиолетового излучения флюоресцирует красным светом. Этот краситель поглощается опухолью значительно сильнее, чем здоровыми тканями.

Если теперь подозрительные области облучить через кварцевый волоконный световод ультрафиолетовым излучением, генерируемым, скажем, криптоновым лазером, то излучающие красный свет злокачественные опухоли будут легко обнаружены. Для выделения красного света на выходе жгута наблюдения помещается фильтр, который пропускает красный свет и отсекает отраженное ультрафиолетовое излучение.

Если же вместо ультрафиолетового излучения ткань облучить красным светом большой интенсивности, то результаты будут совсем иными. Производная гематопорфирина сильно поглощает красный свет. Энергия поглощения вызывает серию фотохимических реакций, которые убивают злокачественные ткани, предварительно насыщенные этим красителем. Высокоинтенсивный красный свет может излучать лазер на парах золота. Свет от лазера пропускают по кварцевому световоду и направляют прямо на опухоль. Этот свет селективно разрушает раковые клетки. Метод такой фотодинамической терапии в настоящее время проходит клинические испытания (см. рисунок ниже).

Фитодинамическая терапия позволяет удалить опухоль, закупорившую трахею (слева). Пациенту вводят краситель, который опухолью поглощается быстрее, чем здоровой тканью. Введенный в опухоль волоконный световод (в центре) подводит лазерное излучение, воздействующее на краситель. Через два дня, как видно на фотографии (справа), опухоль после облучения омертвилась, и теперь ее можно удалить

Фитодинамическая терапия позволяет удалить опухоль, закупорившую трахею (слева). Пациенту вводят краситель, который опухолью поглощается быстрее, чем здоровой тканью. Введенный в опухоль волоконный световод (в центре) подводит лазерное излучение, воздействующее на краситель. Через два дня, как видно на фотографии (справа), опухоль после облучения омертвилась, и теперь ее можно удалить

Описанные выше методы диагностики и хирургические системы можно объединить в единый лазерный эндоскоп для лечения опухолей. Это задача ближайшего будущего. Прибор будет включать в себя фиброскоп, один кварцевый световод для передачи возбуждающего ультрафиолетового излучения и другой кварцевый световод, пропускающий красный свет, для фотодинамической терапии. К месту подозреваемой опухоли эндоскоп будет подводиться через естественные отверстия в теле человека или через разрезы на коже. По первому световоду будет пропускаться ультрафиолетовое лазерное излучение, а изображение можно наблюдать через фильтр, пропускающий красный свет. Через несколько недель (или после нескольких курсов лечения) процедуру можно повторить, чтобы быть уверенным, что рост опухоли остановлен.

Гибкие фиброскопы, оптические датчики и передающие мощное лазерное излучение системы открывают новую эру в методах диагностирования и лечения с минимальным травмированием тканей. Лазерные эндоскопы будут включать в себя фиброскоп с жгутом для наблюдения и жгутами для облучения; волоконные световоды, связанные с диагностическими датчиками; силовой световод для мощного лазерного излучения, а также канал для введения и отсасывания жидкостей или газов. Высокая четкость телевизионных изображений исследуемых участков тела человека, точность медицинских лабораторных исследований, совершенство в проведении операционных процедур, а также наличие инструментов, которые можно ввести в мельчайшие кровеносные сосуды, — все это в медицине будущего смогут обеспечить волоконные световоды.

1989 г.