Криодеструкция опухолей головного мозга (криооборудование и методика)
Резюме Представлена клиническая работа по криодеструкции опухолей головного мозга с использованием нового криохирургического аппарата. Данный криохирургический аппарат оснащен тремя съемными криоинструментами, отличающимися диаметрами рабочих наконечников: 4,5; 6 и 8 мм. Основные особенности АКХА-03 - активная откачка образующихся паров азота при помощи вакуумного насоса и функция активного отогрева теплообменника. Данный аппарат в клинической работе использовался впервые. Разработанная нами методика криохирургического лечения подразумевает под собой использование интраоперационной сонографии (ИС) для точной топической диагностики и определения размеров опухоли, уточнения траектории введения и точки погружения наконечника криозонда. Также с помощью ИС можно отследить и фиксировать формирование и оттаивание ледяного шара, контролировать проведение нескольких циклов криодеструкции.
Ключевые слова:криохирургический аппарат, криодеструкция, криохирургия, опухоль головного мозга, интраоперационная сонография, ультразвуковой контроль
Клин. и эксперимент. хир. Журн. им. акад. Б.В. Петровского. - 2015. - No 1. - С. 15-21.
Криохирургия как раздел медицины появилась в середине прошлого века, когда были предложены сначала первые опытные, а потом и промышленные образцы криохирургических аппаратов (КХА) в США и СССР [1, 2]. Это послужило толчком к бурным исследованиям в области медицинского использования ультранизких температур.
Начались разработки двух основных типов КХА - с криоаппликаторами и с криозондами. Криоаппликаторы предназначены для деструкции крупных массивов биологической ткани, так как они находятся в контакте с поверхностью замораживаемого объекта и обладают достаточно крупными размерами. Поэтому криоаппликаторы получили широкое распространение в дерматологии, маммологии, хирургии печени. Криозонды используются для минимального инвазивного воздействия в глубине ткани или органа для разрушения патологического очага малого размера, когда необходимо щадящее отношение к окружающим тканям [3].
В качестве хладагентов используют твердую углекислоту (сухой лед) (tплав -80 °С), закись азота (tkип -89 °С), жидкий азот (tkип -195,8 °С).
Аппараты, в которых хладагентом является сухой лед, требуют циркуляции дополнительного вещества - хладоносителя. Оптимальным в такой схеме является ацетон (tзамерзания -95 °С, tkипения +56,2 °С). Подобный КХА создан в Санкт-Петербурге в 1991 г., но серийно он не производится [4].
Активно используются КХА на основе дроссельного эффекта Джоуля-Томсона: газ из баллона высокого давления поступает в аппарат, где он расширятся и его давление становится равным атмосферному, при этом температура снижается и криоаппликатор или криозонд охлаждается. Сжатым газом может быть закись азота или аргон. Для отогрева используют или другой газ - гелий, или электрический принцип [5].
Зарубежные аппараты на этом принципе производятся промышленно фирмами "Erbe" (ФРГ) и "Galil Medical" (США). Имеющиеся отечественные разработки серийно не изготавливаются. Данные КХА имеют существенный недостаток - низкую холодовую мощность [6]. Компенсируется это одновременным использованием большого количества криоигл (от 2-3 до 25). Наиболее часто подобные аппараты применяются в урологии, флебологии, гепатологии, маммологии, проктологии.
Самое большое распространение получили КХА на основе жидкого азота. Существуют портативные аппараты для поверхностного применения ("Крио- Иней", "КРИОТОН-3") и достаточно крупные установки ("Криоэлектроника-4", "Крио-МТ", "ERBE CRYO 6"), которые используют хирурги при опухолях печени, поджелудочной железы, почек и в других областях онкологии. К недостаткам подобных аппаратов можно отнести массивные криоаппликаторы, ригидные криопровода и сложность контроля объема криовоздействия, что исключает применение данного КХА в некоторых областях медицины (офтальмология, нейрохирургия).
В настоящее время отсутствует промышленно производимый КХА с высокой холодовой мощностью, компактным криоинструментом, тонким криозондом, который можно было бы применять для создания локального очага крионекроза при минимально инвазивной хирургии, например в нейрохирургии [7].
Нами впервые апробирован и внедрен в практику аппарат криохирургический азотный (АКХА-03) (РУ No РЗН 2013/880 от 12.07.2013) для деструкции опухолей головного мозга (Павлов В.Н., Кунгурцев С.В., Кулаков Д.В. Патент на изобретение No 2 483 691, 2011 г.).
Данный криохирургический аппарат прошел этап экспериментального и опытного образца и готовится к промышленному производству [8].
Материал и методы
Криодеструкцию проводили пациентам с нейроэпителиальными опухолями головного мозга и менингиомами, прорастающими в верхний сагиттальный синус, в исследование было включено 30 человек. Проведение клинических исследований по криодеструкции объемных образований головного мозга с применением нового криохирургического аппарата было одобрено Локальным комитетом по медицинской и биологической этике Российского научного центра хирургии им. акад. Б.В. Петровского (протокол No 625 от 09.06.2011).
При выборе тактики операции исходили из следующего принципа: при высоком риске неблагоприятного результата удаления опухоли с применением микрохирургической техники в связи с локализацией опухоли, а также ее распространенностью или объемом и отсутствием четких границ, когда проведение локального лучевого воздействия невозможно, пациентам предлагали провести криодеструкцию опухоли под контролем интраопе- рационной сонографии (ИС). Был разработан протокол информированного согласия пациента для проведения криодеструкции.
Летальных исходов в послеоперационном периоде не было. У 5 (16,6%) пациентов после криовоздействия отмечено пропитывание кровью участка крионекроза, в 1 (3,3%) наблюдении это привело к увеличению отека и появлению негрубого неврологического дефицита, который регрессировал через 1 мес. Средняя длительность госпитализации пациентов составила 13 дней (от 6 до 22 дней).
Конструкция криохирургического аппарата
Аппарат криохирургический азотный (АКХА-03) является дальнейшей разработкой аппарата, созданного в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) в 2008 г., он обладает дополнительной функцией активного отогрева наконечника криозонда от массива ледяного шара, что позволяет оперативно извлечь криоинструмент.
АКХА-03 оснащен тремя съемными криоинструментами, отличающимися диаметрами рабочих наконечников 4,5; 6 и 8 мм (рис. 1).
&hide_Cookie=yes)
Главным элементом криоинструмента является криозонд, на конце которого находится наконечник. В наконечнике располагается теплообменник, и именно вокруг этой части криоинструмента происходит намораживание льда (рис. 2).
&hide_Cookie=yes)
Все остальные части криоинструмента имеют вакуумно-теплоизолированную рубашку. Длина наконечника - 9 мм, а диаметры - 8, 6 и 4,5 мм, в зависимости от выбранного криоинструмента, они совпадают с диаметром криозонда. От диаметра криозонда зависят размер теплообменника, находящегося в нем и, соответственно, максимально достижимый размер ледяного шара. Благодаря наличию разъемных узлов для соединения с гибким подводящим криопроводом и гибким отводящим паропроводом криоинструменты быстро снимаются, легко заменяются во время операции, их удобно стерилизовать в автоклаве.
Схема общего вида и основные функциональные части криохирургического аппарата представ лены на рисунке 3.
&hide_Cookie=yes)
Рис. 3. Схема общего вида АКХА-03: 1 - резервуар для жидкого азота (сосуд Дьюара), 2 - вакуумно теплоизолированный сифон, 3 - трубка подвода жидкого азота (капилляр), 4 - обратный клапан, 5 - боковая трубка, 6 -электронагреватель, 7 - электромагнитный клапан, 8 - разъемный узел, 9 - гибкий шланг, 10 - внешняя система газообеспечения, 11 - гибкий вакуумпровод, 12 - разъемный узел, 13 - электромагнитный двухходовой клапан, 14 - дроссель, 15 - вакуумный насос, 16 - криоинструмент, 17 - разъемные узлы, 18 - гибкие трубки отвода хладагента (паропровода), 19 - наконечник криозонда
АКХА-03 состоит из 5 частей:
1) подвижного криогенного сифона с двумя гибкими криопроводами, содержащими капилляр подвода жидкого азота и трубку откачки пара;
2) промышленного сосуда Дьюара с жидким азотом, в который через открытую на атмосферу горловину погружена холодная часть сифона;
3) системы вакуумной откачки азотного пара;
4) внешней системы газообеспечения для отогрева криоинструмента;
5) съемного и отдельно стерилизуемого криоинструмента.
Все узлы в АКХА-03 стыкуются с помощью быстроразъемных соединений.
Управление режимами работы АКХА-03 осуществляется компьютером с помощью двух электромагнитных клапанов и показаний двух медно-константановых термопар, причем одна из них припаяна к месту стыка капилляра с трубкой подачи теплообменного газа (линия подачи жидкого азота), а другая расположена на входе в паропровод (линия откачки паров жидкого азота). Каждая термопара дает информацию в компьютер об изменении температуры, а запись всех режимов работы АКХА-03 ведется ежесекундно.
Подготовка криохирургического аппарата к работе
Заполненный жидким азотом сосуд Дьюара устанавливали в специально предназначенный отсек в корпусе АКХА-03. В горловину сосуда опускали вакуумно теплоизолированный сифон криогенной части. Через разъемные узлы состыковывали сифон с вакуумной магистралью для откачки азота и с магистралью для подачи сухого азота для отогрева криоинструмента. Также к управляющему работой АКХА-03 компьютеру присоединяли линии от двух электромагнитных клапанов и двух медно-константановых термопар.
Питающий электрический кабель присоединяли к штатной электрической сети (220 В, 50 Гц). После включения АКХА-03 в сеть на компьютере загружается рабочая программа. На экране компьютера отображаются температурные показания в линии подачи жидкого азота и в линии откачки, а также готовность режима "Охлаждение". Предварительно стерилизованный криоинструмент через разъемные узлы состыковывали с гибким подводящим криопроводом и гибким отводящим паропроводом.
Размер криоинструмента для проведения операции выбирали по следующим критериям:
1) размер опухоли;
2) требуемый диаметр ледяного шара;
3) планируемое количество циклов криодеструкции.
При равных условиях мы отдавали предпочтение криозонду с меньшим диаметром.
Также надевали стерильный чехол от криоинструмента до вакуумно теплоизолированного сифона на всю длину криопровода и паропровода, что позволяло манипулировать криоинструментом, соблюдая правила асептики.
Процесс криодеструкции и работа АКХА-03
Криоинструмент фиксировали в специальном стерильном держателе, который крепился к операционному столу. Данная конструкция позволяла его надежно фиксировать и исключать случайные смещения криоинструмента, а также точно позиционировать и уверенно контролировать погружение криозонда в заданный участок опухоли.
Выбор точки установки наконечника (теплообменника) в опухоли и контроль траектории и глубины погружения криозонда осуществляли с помощью ИС. После выбора оптимального направления под контролем ИС в режиме реального времени криозонд погружали в ткань опухоли. Криоинструмент неподвижно фиксировали в специальном держателе для предотвращения смещения в момент проведения криодеструкции.
Нажатием клавиши "Пуск" запускали процесс криодеструкции: в это время на экране компьютера информационная запись "Готов режим охлаждения" менялась на "Запущен в режиме охлаждения" и начинался отсчет времени (рис. 4А, Б).
&hide_Cookie=yes)
Рис. 4. Показания на экране компьютера криохирургического аппарата: А - показания в период подготовки к замораживанию; Б - показания во время процесса замораживания; В - показания в период подготовки к отогреву криозонда; Г - показания в период отогрева криозонда
Вакуумный насос создавал разрежение, под его воздействием жидкий азот из сосуда Дьюара поступал по криопроводу в криоинструмент и охлаждал теплообменник в наконечнике, при этом от ткани опухоли отбиралось тепло, жидкий азот превращался в пар и по паропроводу удалялся в атмосферу.
Весь процесс криодеструкции (образование ледяного шара, его размер и взаимоотношение с размером опухоли, а также соотношение границ ледяного шара и границ опухоли) контролировали с использованием ИС в режиме реального времени (рис. 5).
&hide_Cookie=yes)
На экране компьютера АКХА-03 отображались следующие параметры: информация о включении режима охлаждения, температура в линии подачи и в линии откачки хладагента, время от начала криодеструкции. Для выключения процесса охлаждения нужно было нажать клавишу "Стоп", и вакуумный насос выключался.
После завершения цикла охлаждения АКХА-03 переключали в режим отогрева наконечника криозонда от ледяного шара. Для этого нажимали клавишу "Отогрев", и на экране компьютера появлялось информационная запись "Готов режим отогрева" (рис. 4В). При нажатии клавиши "Пуск" на экране компьютера появлялась информационная запись "Запущен в режиме отогрева" (рис. 4Г), и сухой нагретый азот под давлением 1-3 атмосферы поступал в теплообменник.
При использовании функции активного отогрева наконечника криозонда критерием оттаивания криозонда от массы ледяного шара были показатели компьютера АКХА-03. Когда температура в линии откачки повышалась до 0 °С (при этом температура в линии подачи в среднем повышалась до 54 °С - от 27 до 70 °С), отключали активный отогрев наконечника криозонда и извлекали криозонд под контролем ИС. Критерий для отключения функции активного отогрева наконечника криозонда и возможности его извлечения крайне важен, ведь при сохранении ледяного шара наконечник криозонда не визуализируется ИС, так как находится в акустическое тени и уточнить полное оттаивание криоинструмента невозможно. При длительно включенной функции отогрева на АКХА-03 будет происходить ускоренное оттаивание замороженной ткани опухоли, что приведет к неполной деструкции патологических клеток, а при ранней попытке извлечения неоттаявшего криозонда вызовет смещение ледяного шара. В наших наблюдениях не было смещения ледяного шара вслед за криозондом. Средняя длительность активного отогрева наконечника криозонда от ледяного шара составляла 2 мин 41 с.
Позиционирование в следующий участок опухоли можно производить только после полного оттаивания ледяного шара. Это предотвращает смещение ледяного шара от воздействия криозонда, что сопряжено с высоким риском повреждения интактного вещества головного мозга. ИС - простой, надежный и незаменимый метод для контроля полного оттаивания ледяного шара. В тех случаях, когда функцию активного отогрева наконечника криозонда на АКХА-03 не включали, критерием полного оттаивания ледяного шара были данные ИС.
Если принималось решение повторить этап заморозки того же участка опухоли, криозонд не извлекали, дожидались полного оттаивания ледяного шара, и процедуру криодеструкции повторяли. Оттаивание всей массы ледяного шара происходило пассивно, под действием естественного тепла окружающего мозга. Весь процесс оттаивания - уменьшение размера ледяного шара - контролировали ИС в режиме реального времени (рис. 6).
&hide_Cookie=yes)
По завершению этого процесса с помощью ИС контролировали возможное кровотечение по ходу канала криозонда и в опухоли, подвергнутой криодеструкции.
Далее в зависимости от планируемых числа циклов криодеструкции криозонд позиционировали в новый выбранный участок опухоли, и процесс повторяли.
Завершение работы с АКХА-03
АКХА-03 выключали по окончанию операции. Отключали компьютер, в котором в цифровом виде (формат .txt) сохранялись все данные процедуры: длительность циклов замораживания и отогрева наконечника криозонда, достигнутые температуры в линиях подачи и откачки с посекундным интервалом. С информацией можно было работать прямо на экране компьютера, перенести ее на любую рабочую станцию или распечатать для протоколирования.
АКХА-03 обесточивали нажатием кнопки "ВКЛ/ ВЫКЛ", питающий электрический кабель вынимали из электрической сети. Отсоединяли криоинструмент от крио- и паропроводов, на них устанавливали технические заглушки.
Заключение
Криохирургический метод воздействия - это перспективное направление лечения некоторых групп пациентов. Предлагаемый метод криодеструкции соответствует современным требованиям к хирургическим вмешательствам, принципам минимально инвазивной хирургии.
Разработанная нами методика криохирургического лечения подразумевает использование ИС для точной топической диагностики и определения размеров опухоли, уточнения траектории введения и точки погружения наконечника криозонда. Также с помощью ИС можно отследить и фиксировать формирование и оттаивание ледяного шара, контролировать проведение нескольких циклов криодеструкция.
&hide_Cookie=yes)
Рис. 7. Магнитно- резонансная томография головного мозга. Т2-взвешенное изображение в аксиальной проекции: А - до операции - в левой лобной доле определяется гиперденсивная опухоль (фибриллярная астроцитома); опухоль обозначена желтыми стрелками; Б - через 6 мес после операции; в левой лобной доле определяется киста (обозначена желтыми стрелками), сформировавшаяся после криодеструкции; перифокального отека нет
Анализ объема опухоли, подвергнутой криовоздействию, показал, что тотальной криодеструкции удалось добиться только в группе пациентов с объемом опухоли до 23 см3 (соответствует опухоли размерами 36×36×36 мм). При опухолях большего объема требуется применять комбинированный метод лечения: на первом этапе максимальная микрохирургическая резекция опухоли, на втором - криодеструкция остаточной патологической ткани.
Метод локального криовоздействия с целью деструкции требуемого объема патологической ткани не имеет побочных эффектов, не обладает кумулятивным эффектом и может сочетаться с лучевой или химиотерапией и обычными хирургическими воздействиями.
К ограничениям применения криодеструкции опухолей головного мозга следует отнести большой объем опухоли (более 23 см3) и интимное прилежание к опухоли черепно-мозговых нервов, которые могут попасть в зону крионекроза. Наличие крупных артериальных и венозных сосудов в строме опухоли не ограничивает использования криовоздействия, так как после оттаивания кровоток в них восстанавливается, а стенка не разрушается и не происходит кровоизлияния. После криовоздействия повышается проницаемость только эндотелия капилляров и мелких сосудов.
Применение АКХА-03 для деструкции опухоли под контролем ИС дает следующие возможности:
- Интенсивное замораживание ледяного шара с достижением в зоне криовоздействия оптимальных для крионекроза температур.
- Быстрое прекращение формирования ледяного шара после отключения процесса замораживания.
- Наличие функции активного отогрева теплообменника от ледяного шара для скорейшего извлечения криозонда.
- Четкая визуализация при введении криозонда в требуемую зону опухоли.
- Надежный интраоперационный контроль над всеми этапами криодеструкции, особенно соотношения границ ледяного шара и опухоли.
Литература
1. Кандель Э.И., Кукин А.В., Шальников А.И. и др. Усовершенствование методики локального замораживания подкорковых структур при стереотаксических операциях на головном мозге // Вопр. нейрохир. 1962. No 4. С. 51-54.
2. Cooper I.S., Lee A.S. Cryostatic congelation: a system for producing a limited, controlled region of cooling or freezing of biologic tissues // J. Nerv. Ment. Dis. 1961. Vol. 133. Р. 259-263.
3. Zhao X., Chua K.J. Regulating the cryo-freezing region of biological tissue with a controlled thermal device // Med. Eng. Phys. 2014. Vol. 36, N 3. Р. 325-334.
4. Аничков А.Д., Гурчин А.Ф., Низковолос В.Б. и др. Стереотаксическая криохирургия в нейроонкологии // Вестн. новых мед. технологий. 2010. No 1. С. 156-159.
5. Rabin Y., Lung D.C., Stahovich T.F. Computerized planning of cryosurgery using cryoprobes and cryoheaters // Technol. Cancer Res. Treat. 2004. Vol. 3, N 3. Р. 229-243.
6. Богорад В.С., Жарков Я.В., Жарков А.Я. и др. Современная криохирургия - взгляд в будущее // Материалы IV ежегодной науч.-практ. конф. с междунар. участ. "Новое в практической криомедицине". М. , 2010. С. 18-20.
7. Чиж Н.А., Сандомирский Б.П. Криохирургия. Перезагрузка и обновление // Клiнiчна хiрургiя. 2011. No 6. С. 53-55.
8. Васильев С.А., Крылов В.В., Песня-Прасолов С.Б. и др. Оценка результатов криодеструкции головного мозга млекопитающих (экспериментальная работа) // Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2010. No 10. С. 62-68.