RU2654764C2

RU2654764C2 - Method of laser ablation of the pathological area of heart

Info

Publication number: RU2654764C2
Application number: RU2016133715A
Authority: RU
Inventors: Гариф Газизович Акчурин; Георгий Гарифович Акчурин; Полина Александровна Тимошина; Алибади Зияд; Александр Николаевич Якунин
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-05-22
Also published as: RU2016133715A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine, in particular to cardiovascular surgery, and can be used to ablate the area of pathological excitation of the heart muscle. Introduce a spatially-controlled catheter into the inner region of the right or left atrium or ventricles of the heart through the femoral or subclavian vein under X-ray or MRI imaging. Perform spatial electrophysiological mapping of the internal surface of the heart to detect areas of arrhythmias with the help of an externally controlled tip of the catheter with an electrode. Conduct a contact measurement of the local electrical potentials of the heart muscle and electromagnetic irradiation of the area of pathological excitation of the cardiac muscle by electromagnetic radiation. As the electromagnetic radiation, laser radiation is used in the area of transparency of the heart tissue, corresponding to the near-IR range from 700 nm to 1350 nm. Radiation is introduced into a quartz optical light guide inserted into the spatially controlled catheter. Level of laser energy input is determined by the disappearance of a local area of abnormal electrical pulsations of the heart muscle. Continuous laser mode is used with a power at the exit end of the catheter of not more than 1 W or pulsed laser mode with an average optical power corresponding to a continuous mode. Duration of the laser pulse is no more than 10 nanoseconds with a duty cycle of at least ten. Irradiation time is not more than one minute.

EFFECT: method provides controlled suppression of local regions of self-excited myocytes with minimal damage to normal myocardial cells.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к сердечно-сосудистой хирургии для подавления локальных пространственных аритмий в клетках миокарда с помощью управляемой лазерной абляции патологических самовозбуждающихся клеток миокарда при введении катетера с оптическим волокном через бедренную или ключичную вену во внутреннюю полость сердца и облучении лазерным излучением с определенной длиной волны с выбранным уровнем мощности и времени облучения из выходного торца катетера предварительно определенной с помощью электрофизиологического катетера локальной патологической области сердечной мышцы до подавления источника возникновения локальной аритмии.The invention relates to medicine, in particular to cardiovascular surgery for the suppression of local spatial arrhythmias in myocardial cells using controlled laser ablation of pathological self-excited myocardial cells with the introduction of a catheter with an optical fiber through the femoral or clavicular vein into the internal cavity of the heart and irradiation with laser radiation with a specific laser radiation a wavelength with a selected power level and irradiation time from the output end of the catheter previously determined using an electrophysiologist catheter of the local pathological region of the heart muscle until the source of local arrhythmia is suppressed.

Известен способ подавления аритмии на основе криотехнологии при использовании жестких многоразовых электродов на основе закиси азота (охлаждение -89,5°C) или гибких одноразовых на основе аргона (охлаждение до -185,7°C), (см. патент РФ на ИЗ № 2197917, МПК A61B18/12, A61B18/18, опубликован 10.02.2003 г.; Бокерия Л.А., Бокерия О.Л., Биниашвили М.Б. «Случай успешного хирургического лечения фибрилляции предсердий с помощью криомодификации операции «Лабиринт»» // Бюллетень медицинских Интернет-конференций (ISSN 2224‐6150) 2013. Том 3. № 3; Tse H._F., Sin P._Y., Siu C._W., Tsang V., Lam C.L.K.,Lau C._P. Successful pulmonary vein isolation using transvenous catheter cryoablation improves quality of life in patients with atrial fibrillation // PACE. 2005. V. 28. P. 421–424).A known method of suppressing arrhythmias based on cryotechnology when using rigid reusable electrodes based on nitrous oxide (cooling -89.5 ° C) or flexible disposable electrodes based on argon (cooling to -185.7 ° C), (see RF patent for IZ No. 2197917, IPC A61B18 / 12, A61B18 / 18, published 02.10.2003; Bokeria L.A., Bokeria O.L., Biniashvili MB "A case of successful surgical treatment of atrial fibrillation using cryomodification of the operation" Labyrinth "" // Bulletin of medical Internet conferences (ISSN 2224-6150) 2013. Volume 3. No. 3; Tse H._F., Sin P._Y., Siu C._W., Tsang V., Lam CLK, Lau C._P . Successful pu lmonary vein isolation using transvenous catheter cryoablation improves quality of life in patients with atrial fibrillation // PACE. 2005. V. 28. P. 421-424).

Однако для локального повреждающего действия, необходимое время аппликации составляет 2-3 минуты, при этом на работающем сердце эпикардиальное криовоздействие имеет низкую пенетрирующую способность, ввиду согревающего эффекта циркулирующей крови. Кроме того, операция выполняется на открытом сердце.However, for a local damaging effect, the required application time is 2-3 minutes, while the epicardial cryotherapy has a low penetrating ability on a working heart, due to the warming effect of the circulating blood. In addition, the operation is performed on an open heart.

Известен способ подавления фибрилляции предсердий, основанный на подведении к сердечному устью легочной вены через нижнюю полую вену специального ультразвукового катетера. Основными компонентами указанного катетера являются цилиндрический пьезопреобразователь и надувной параболический рефлектор. Действие устройства основано на создании фокусированного пучка высокоинтенсивного ультразвука с фокальной областью в виде кольца, совмещенного со стенкой легочной вены в месте ее входа в сердце. В результате ультразвукового воздействия возникает тепловое разрушение стенки сосуда и, как следствие, устраняется паразитная электрическая проводимость ткани, благодаря чему подавляется источник возникновения аритмий (Е.Д. Синельников, Т. Филд, О.А. Сапожников, «Закономерности формирования зоны термического разрушения при лечении фибрилляции предсердий катетерным методом ультразвуковой абляции» // Акустический журнал, 2009, том 55, № 4–5, с. 641–652).A known method of suppressing atrial fibrillation, based on bringing to the cardiac mouth of the pulmonary vein through the inferior vena cava special ultrasound catheter. The main components of this catheter are a cylindrical piezoelectric transducer and an inflatable parabolic reflector. The action of the device is based on the creation of a focused beam of high-intensity ultrasound with a focal region in the form of a ring combined with the wall of the pulmonary vein at the place of its entry into the heart. As a result of ultrasonic exposure, thermal destruction of the vessel wall occurs and, as a result, parasitic electrical conductivity of the tissue is eliminated, thereby suppressing the source of arrhythmias (E. D. Sinelnikov, T. Field, O. A. Sapozhnikov, “Patterns of formation of the thermal destruction zone when treatment of atrial fibrillation by catheter ultrasound ablation ”// Acoustic Journal, 2009, Volume 55, No. 4–5, pp. 641–652).

Однако возникающая ультразвуковая кавитация, вследствие нелинейности процесса, может приводить к трудно контролируемой области нагрева сердечных биотканей несмотря на технологию сфокусированного ультразвукового пучка.However, the resulting ultrasonic cavitation, due to the non-linearity of the process, can lead to a difficult to control region of heating of cardiac biological tissues despite the technology of focused ultrasound beam.

Известен способ чрескожной стереотаксической ризотомии. Технология заключается во введении в вену катетера, содержащего изолированный проводник электрического тока, и под рентгеновской визуализацией подведение катетера в область к локальной области центра возбуждения сердечной мышцы. Под воздействием импульсов тока локальная область сердечной мышцы деструктурируется и происходит подавление локальной аритмии («Аритмия сердца» // Под.ред. В.Дж. Мандела. М.: Медицина,1996, том 3. Глава 9. С. 301-315). A known method of percutaneous stereotactic rhizotomy. The technology consists in introducing a catheter containing an insulated conductor of electric current into a vein and, under X-ray visualization, bringing the catheter into the area to the local area of the center of excitation of the heart muscle. Under the influence of current impulses, the local region of the heart muscle is destructed and local arrhythmia is suppressed (“Arrhythmia of the heart” // Ed. By V.J. Mandela. M: Medicine, 1996, volume 3. Chapter 9. P. 301-315) .

Однако при таком способе подавления сердечных аритмий, как показывает медицинская практика, возможно неконтролируемое патологическое возбуждение других областей сердечной мышцы, вызывающее трепетание предсердий или желудочков сердца и требующее введение искусственного водителя ритма.However, with this method of suppressing cardiac arrhythmias, medical practice shows that uncontrolled pathological excitation of other areas of the heart muscle is possible, causing atrial or ventricular flutter and requiring the introduction of an artificial pacemaker.

Известен способ микроволновой абляции биотканей сердца, основанный на воздействии излучения электромагнитных волн на частоте 915 МГц или 2450 МГц, вызывающих осцилляцию молекулярных диполей в биоткани, приводящую к диэлектрическому нагреванию ткани. Однако на данных частотах невозможно осуществить локальный нагрев тканей сердца, так как длина волны излучения составляет 30-10 см. Электромагнитные волн от внешнего СВЧ генератора можно доставить с помощью волноводов или коаксиальных электрических кабелей, но только при операциях на открытом сердце.A known method of microwave ablation of biological tissues of the heart, based on exposure to electromagnetic waves at a frequency of 915 MHz or 2450 MHz, causing oscillations of molecular dipoles in biological tissue, leading to dielectric heating of the tissue. However, at these frequencies it is impossible to carry out local heating of the heart tissue, since the radiation wavelength is 30-10 cm. Electromagnetic waves from an external microwave generator can be delivered using waveguides or coaxial electric cables, but only during open heart surgery.

Известны способы радиочастотной катетерной абляции патологических клеток миокарда (Haines D.E. «The biophysics of radiofrequency catheter ablation in the heart: the importance of temperature monitoring» // Pacing Clin Electrophysiol 1993. Mar. 16(3 Pt 2):586-91; Dong, J. «Initial experience in the use of integrated electroanatomic mapping with three-dimensional MR/CT images to guide catheter ablation of atrial fibrillation» / J. Dong, T. Dickfeld, D. Dalal et al. // J. Cardiovasc. Electrophysiol. – 2006. – Vol. 17. – P. 459–466; Ардашев А.В., Желяков Е.Г., Долгушина Е.А. «Радиочастотная катетерная абляция хронической формы фибрилляции предсердий методом изоляции легочных вен и анатомической модификации субстрата аритмии» // М.С.Кардиология, 2008, № 12, с. 40-48; патент РФ № 2443390, МПК A61B5/00, опубликован 27.02.2012 г.). Known methods for radiofrequency catheter ablation of pathological myocardial cells (Haines DE "The biophysics of radiofrequency catheter ablation in the heart: the importance of temperature monitoring" // Pacing Clin Electrophysiol 1993. Mar. 16 (3 Pt 2): 586-91; Dong, J. “Initial experience in the use of integrated electroanatomic mapping with three-dimensional MR / CT images to guide catheter ablation of atrial fibrillation” / J. Dong, T. Dickfeld, D. Dalal et al. // J. Cardiovasc. Electrophysiol . - 2006. - Vol. 17. - P. 459–466; Ardashev A.V., Zhelyakov E.G., Dolgushina E.A. “Radiofrequency catheter ablation of chronic atrial fibrillation by pulmonary vein isolation and anatomical modification of arrhythmia substrate "// M.S. Card Biology, 2008, No. 12, pp. 40-48; RF patent No. 2443390, IPC A61B5 / 00, published on February 27, 2012).

Наиболее близким к заявляемому решению является способ катетерной радиочастотной абляции патологических клеток миокарда, вызывающих локальные аритмии в сердечной мышце, описанный в статье «Диагностика и лечение фибрилляций предсердий. Рекомендации Российского кардиологического общества» // Российский кардиологический журнал, 2013, № 4, Приложение с. 1-99. Способ включает введение гибкого катетера через бедренную или ключичную вену при рентгеновской или МРТ визуализации катетера во внутреннюю область предсердия, пространственное электрофизиологическое картирование внутренней поверхности сердца для обнаружения областей аритмий с помощью пространственно-управляемого наконечника катетера с микроэлектродом для контактного измерения локальных потенциалов возбуждения, поиск и обнаружение областей локальных аритмий, облучение этих пространственных областей патологического возбуждения сердечной мышцы непрерывным электромагнитным излучением, выбранным из диапазона от 100 кГц до 3 МГц с типичным уровнем ВЧ мощности 30-40 Вт, повышающим локальную температуру облучаемых клеток миокарда до 50-56 градусов Цельсия и вызывающих коагуляционный некроз с образованием рубца, не обладающего свойством электрической проводимости в облучаемых клетках миокарда.Closest to the claimed solution is a method of catheter radiofrequency ablation of pathological myocardial cells that cause local arrhythmias in the heart muscle, described in the article “Diagnosis and treatment of atrial fibrillation. Recommendations of the Russian Cardiology Society ”// Russian Journal of Cardiology, 2013, No. 4, Appendix p. 1-99. The method includes the introduction of a flexible catheter through the femoral or clavicular vein during X-ray or MRI imaging of the catheter into the inner atrium, spatial electrophysiological mapping of the inner surface of the heart to detect areas of arrhythmias using a spatially-guided catheter tip with a microelectrode for contact measurement of local excitation potentials, search and detection areas of local arrhythmias, irradiation of these spatial areas of pathological excitation I of the heart muscle with continuous electromagnetic radiation, selected from the range from 100 kHz to 3 MHz with a typical level of RF power of 30-40 W, increasing the local temperature of irradiated myocardial cells to 50-56 degrees Celsius and causing coagulation necrosis with the formation of a scar that does not have the property of electric conductivity in irradiated myocardial cells.

Радиочастотная энергия вызывает разрушение клеток миокарда в месте воздействия высокочастотного переменного электрического тока через резистивную среду (миокард). Тканевое сопротивление приводит к рассеянию энергии с образованием тепла, пассивно диффундирующего в более глубокие слои сердечной биоткани.Radio-frequency energy causes the destruction of myocardial cells at the site of exposure to a high-frequency alternating electric current through a resistive medium (myocardium). Tissue resistance leads to the dissipation of energy with the formation of heat passively diffusing into the deeper layers of the cardiac biological tissue.

Однако резистивный нагрев тканей возникает только в непосредственной близости от излучающего конца катетера при монополярном высокочастотном (ВЧ) воздействии с характерной пространственной областью около одного кубического миллиметра, а более глубокие ткани нагреваются посредством трудно контролируемой диффузной теплопроводности в сердечной биоткани. Ограничение ВЧ мощности и соответственно температуры воздействия, контроль за образованием микропузырьков пара на конце катетера посредством внутрисердечной эхокардиографии и охлаждение в зоне воздействия посредством применения катетеров, орошаемых физраствором, позволяют минимизировать тромбообразование и обугливание электродов и тканей в месте контакта («Экспертный консенсусный документ Общества нарушений сердечного ритма (HRS/EHRA/ECAS) по катетерной и хирургической абляции фибрилляций предсердий», 2012). However, resistive tissue heating occurs only in the immediate vicinity of the radiating end of the catheter under monopolar high-frequency (HF) exposure with a characteristic spatial region of about one cubic millimeter, and deeper tissues are heated by means of difficult to control diffuse thermal conductivity in the cardiac biological tissue. Limiting the RF power and, correspondingly, the exposure temperature, controlling the formation of microbubbles of steam at the end of the catheter by means of intracardiac echocardiography, and cooling in the area of exposure by using catheters irrigated with saline solution, minimize thrombosis and carbonization of electrodes and tissues at the site of contact (Expert Consensus Document of the Society for Cardiac Disorders rhythm (HRS / EHRA / ECAS) for catheter and surgical ablation of atrial fibrillation ”, 2012).

В случае биполярного радиочастотного воздействия ткань нагревается только между двумя электродами без риска воздействия на окружающие ткани, однако данный метод применяется только на открытом сердце. In the case of bipolar radiofrequency exposure, the tissue heats only between two electrodes without the risk of exposure to surrounding tissues, however, this method is used only on an open heart.

Катетерная радиочастотная абляция сформировалась как метод подавления сердечных аритмий в начале 90 годов прошлого века, а в настоящее время является наиболее эффективным методом, который позволяет успешно лечить практически все виды аритмии, включая мерцательную аритмию, трепетание и фибрилляцию предсердий и желудочков сердца. Однако эта процедура является довольно продолжительной (4–8 часов) и, как любая длительная операция на сердце, потенциально опасной для жизни пациента. Кроме того, при проведении указанной процедуры требуется задействовать разнообразные навигационные технические средства для точной ориентации катетера в сердце. Одним из наиболее опасных осложнений при радиочастотной абляции является стеноз легочной вены из-за трудноконтролируемого термического воздействия, что в конечном итоге приводит к сердечной недостаточности и инсульту. По этим причинам радиочастотная абляция как пароксизмальной, так и хронической фибрилляции в наши дни проводится лишь в ограниченном числе ведущих клиник США и других развитых стран.Catheter radiofrequency ablation was formed as a method of suppressing cardiac arrhythmias in the early 90s of the last century, and is currently the most effective method that can successfully treat almost all types of arrhythmias, including atrial fibrillation, atrial fibrillation and ventricular fibrillation. However, this procedure is quite lengthy (4-8 hours) and, like any long-term heart surgery, is potentially life-threatening to the patient. In addition, when carrying out this procedure, it is necessary to use a variety of navigational technical means for the exact orientation of the catheter in the heart. One of the most dangerous complications of radiofrequency ablation is pulmonary vein stenosis due to difficult to control thermal exposure, which ultimately leads to heart failure and stroke. For these reasons, radiofrequency ablation of both paroxysmal and chronic fibrillation today is carried out only in a limited number of leading clinics in the United States and other developed countries.

Задачей изобретения является создание лазерной технологии управляемой локальной абляции патологических клеток миокарда, которые являются источником аритмий и предлагаемая технология может быть использована для локального необратимого подавления центров электрического самовозбуждения клеток миокарда на основе локального лазерного облучения не только внутренней поверхности сердца, но при выборе длины волны излучения лазера из окна прозрачности биотканей, реализация возможности контролируемым образом изменять температуру в объеме сердечной биоткани, включая миоциты на внешней поверхности сердца. Кроме того, нагрев миоцитов можно осуществлять не только при непрерывном лазерном воздействии, но и используя импульсные режимы облучения, вызывающие большую пространственную локальность при функциональной инактивации патологических миоцитов. При этом лазерное излучение доставляется к патологической области сердца через оптический световод, вставленный в стандартный катетер, используемый в технологии ВЧ абляции, который вводится в бедренную или ключичную вену, что делает операцию малоинвазивной. The objective of the invention is to create a laser technology for controlled local ablation of pathological myocardial cells, which are the source of arrhythmias and the proposed technology can be used for local irreversible suppression of centers of electrical self-excitation of myocardial cells based on local laser irradiation not only of the inner surface of the heart, but when choosing a laser radiation wavelength from the transparency window of biological tissues, realization of the possibility to change the temperature into volume in a controlled way e cardiac biological tissue, including myocytes on the outer surface of the heart. In addition, heating of myocytes can be carried out not only with continuous laser irradiation, but also using pulsed irradiation modes that cause greater spatial locality during the functional inactivation of pathological myocytes. In this case, laser radiation is delivered to the pathological region of the heart through an optical fiber inserted into a standard catheter used in the RF ablation technology, which is inserted into the femoral or clavicular vein, which makes the operation minimally invasive.

Технический результат заключается в возможности управляемого подавления локальных областей самовозбуждающихся миоцитов, ответственных за возникновение аритмий в объеме сердечной мышцы, вследствие лазерного фототермолиза этих патологических клеток при минимальном повреждении нормальных клеток миокарда при использовании недорогой лазерной волоконно-оптической технологии.The technical result consists in the possibility of controlled suppression of local areas of self-excited myocytes, responsible for the occurrence of arrhythmias in the volume of the heart muscle, due to laser photothermolysis of these pathological cells with minimal damage to normal myocardial cells using inexpensive laser fiber optic technology.

Поставленная задача решается тем, что в способе катетерной абляции патологических клеток сердца, вызывающих локальные пространственные аритмии, включающем введение катетера через бедренную или ключичную вену при рентгеновской или МРТ визуализации пространственно-управляемого катетера во внутреннюю область правого или левого предсердия или желудочков сердца, пространственное электрофизиологическое картирование внутренней поверхности сердца для обнаружения областей аритмий с помощью управляемого извне наконечника катетера с электродом, определяемое с помощью контактного измерения локальных электрических потенциалов миокарда, и облучение области патологического возбуждения сердечной мышцы электромагнитным излучением, согласно изобретению, в качестве электромагнитного излучения выбирается лазерное излучение в области прозрачности сердечной биоткани, соответствующей ближнему ИК диапазону (700 нм-1550 нм), в зависимости от требуемой глубины фототермолиза патологических клеток миокарда в сердечной мышце, которое вводят в кварцевый оптический световод, вставленный в пространственно-управляемый катетер, а уровень вводимой лазерной энергии определяют по исчезновению локального центра патологических электрических пульсаций клеток миокарда, при этом лазерная мощность на выходном торце катетера не превышает 1 Вт, а время локального облучения не более одной минуты. The problem is solved in that in a method for catheter ablation of pathological heart cells that cause local spatial arrhythmias, including the introduction of a catheter through the femoral or clavicular vein during x-ray or MRI imaging of a spatially-guided catheter into the inner region of the right or left atrium or ventricles of the heart, spatial electrophysiological mapping the inner surface of the heart to detect areas of arrhythmias using an externally controlled tip of the catheter with ele according to the invention, laser radiation in the transparency region of the cardiac biological tissue corresponding to the near infrared range (700 nm-1550 nm) is selected as the electromagnetic radiation by contact measurement of local myocardial electric potentials and irradiation of the pathological excitation of the heart muscle with electromagnetic radiation depending on the required depth of photothermolysis of pathological myocardial cells in the heart muscle, which is inserted into the quartz optical fiber, inserted first in a spatially controlled catheter, and the level of laser energy input is determined by the disappearance of the local center pathology electrical pulsations myocardial cells, wherein the laser power at the output end of the catheter does not exceed 1 Watt and irradiation time of the local maximum of one minute.

Для уменьшения локального пространственного 3D облучения по глубине нормальных клеток миокарда используют импульсный лазерный режим со средней оптической мощностью, соответствующей непрерывному режиму, и длительностью лазерного импульса не более 10 наносекунд при скважности не менее десяти.To reduce local 3D spatial irradiation along the depth of normal myocardial cells, a pulsed laser mode is used with an average optical power corresponding to a continuous mode and a laser pulse duration of not more than 10 nanoseconds with a duty cycle of at least ten.

Изобретение поясняется чертежами: The invention is illustrated by drawings:

На фиг.1. показана блок-схема установки для подавления локальных пространственных аритмий в клетках миокарда с помощью управляемой лазерной абляции патологических самовозбуждающихся клеток миокарда, где: In figure 1. shows a block diagram of an installation for suppressing local spatial arrhythmias in myocardial cells using controlled laser ablation of pathological self-excited myocardial cells, where:

1 - полупроводниковый или твердотельный лазер;1 - semiconductor or solid state laser;

2 - кварцевый оптический световод;2 - quartz optical fiber;

3 - пространственно-управляемый катетер, содержащий внутри себя дополнительный кварцевый оптический световод; 3 - a spatially controlled catheter containing an additional quartz optical fiber inside;

4 - сердце пациента с введенными в предсердие или желудочки катетерами 3; 4 - patient's heart with catheters 3 inserted into the atria or ventricles;

5 - устье легочной вены; 5 - the mouth of the pulmonary vein;

6 - пространственная зона патологической пульсации миоцитов. 6 - spatial zone of pathological pulsation of myocytes.

Фиг.2. Внутренняя структура сердца с введенными в предсердие или пространственно-управляемыми катетерами, содержащими внутри кварцевый оптический световод.Figure 2. The internal structure of the heart with inserted into the atrium or spatially guided catheters containing a quartz optical fiber inside.

Фиг.3. 2D термограммы динамики температурных полей при облучении ИК лазерным излучением полупроводникового лазера с длиной волны 810 нм, работающим в непрерывном режиме с выходной оптической мощностью на торце световода 1 Вт и расстоянии 1 см до сердечной мышцы крысы in vivo: а - до облучения; б – спустя 5 сек; в - спустя 40 сек; (масштаб по оси ординат 3 см).Figure 3. 2D thermograms of the dynamics of temperature fields when irradiated with IR laser radiation from a semiconductor laser with a wavelength of 810 nm, operating in continuous mode with an output optical power at the end of the fiber of 1 W and a distance of 1 cm from the rat heart muscle in vivo: a - before irradiation; b - after 5 seconds; in - after 40 seconds; (scale along the ordinate axis 3 cm).

Фиг.4. Динамика максимального лазерного нагрева сердечной мышцы крысы in vivo при облучении ИК излучением 1 Вт 810 нм, работающим в непрерывном режиме (расстояние от торца световода до поверхности сердца 2 см).Figure 4. The dynamics of the maximum laser heating of the rat heart muscle in vivo when irradiated with IR radiation of 1 W 810 nm, operating in a continuous mode (the distance from the end of the fiber to the surface of the heart is 2 cm).

Фиг.5. Динамика температурных полей по глубине сердечной мышцы крысы in vitro при облучении ИК лазерным излучением с длиной волны 810 нм, работающим в непрерывном режиме с выходной оптической мощностью на торце световода 1 Вт, находящейся на расстоянии 1 см от сердечной мышцы: г - 0; д - 10 сек; е - 20 сек; ж – 1 мин.Figure 5. Dynamics of temperature fields along the depth of the heart muscle of a rat in vitro when irradiated with IR laser radiation with a wavelength of 810 nm, operating in continuous mode with an output optical power at the end of the optical fiber of 1 W located at a distance of 1 cm from the heart muscle: g - 0; d - 10 sec; e - 20 sec; W - 1 min.

Фиг.6. Динамика максимального лазерного нагрева и остывания сердечной мышцы крысы in vitro при облучении ИК излучением 1 Вт 810 нм, работающим в непрерывном режиме.6. The dynamics of the maximum laser heating and cooling of the rat heart muscle in vitro when irradiated with 1 W 810 nm IR radiation operating in a continuous mode.

Устройство содержит полупроводниковый или твердотельный лазер 1, соединенный с кварцевым оптическим световодом 2. Выход оптического световода 2 через оптический разъем соединен с гибким пространственно-управляемый катетером 3, традиционно используемым в технологии радиочастотной катетерной абляции, но содержащим внутри себя дополнительный кварцевый оптический световод (на чертеже не показан).The device contains a semiconductor or solid-state laser 1 connected to a quartz optical fiber 2. The output of the optical fiber 2 through an optical connector is connected to a flexible spatially controlled catheter 3, traditionally used in radio frequency catheter ablation technology, but containing an additional quartz optical fiber (inside the drawing) not shown).

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Человеку или животному через бедренную или ключичную вену вводят гибкий пространственно-управляемый катетер 3 (стандартная биомедицинская технология, как при радиочастотной катетерной абляции). С помощью рентгеновской или МРТ визуализации пространственно-управляемый катетер 3 вводят во внутреннюю область правого или левого предсердия 4 или желудочков сердца. Выполняют пространственное электрофизиологическое картирование внутренней поверхности сердца для обнаружения областей аритмий 6 с помощью управляемого извне наконечника катетера 3 с электродом, определяемое с помощью контактного измерения локальных электрических потенциалов миокард. Типичным пространственным местом в сердечной мышце, где возникают источники нерегулярных самовозбуждающихся волн в 3 D объеме сердечной биоткани, является устье легочной вены 5. Затем через оптический разъем присоединяют оптический световод 2, во входной конец которого вводят оптическое излучение лазера 1 с длиной волны, выбранной из ближнего ИК диапазона (700-1550 нм). Далее устанавливают уровень лазерной мощности не более 1 Вт, облучают область патологического возбуждения сердечной мышцы лазерным излучением в течение времени, соответствующего исчезновению аритмии в локально облучаемой области. Исчезновение аритмии обусловлено пространственным повышением температуры клеток миокарда до температуры выше 44, но не более 56 градусов Цельсия, вызывающей функциональное подавление проводимости облученных клеток миокарда при минимальном поражении сердечной мышцы.A flexible spatially controlled catheter 3 (standard biomedical technology, as in radiofrequency catheter ablation) is injected into a human or animal through the femoral or clavicular vein. Using x-ray or MRI imaging, a spatially controlled catheter 3 is inserted into the inner region of the right or left atrium 4 or ventricles of the heart. Spatial electrophysiological mapping of the inner surface of the heart is performed to detect areas of arrhythmias 6 using an externally-guided catheter tip 3 with an electrode, determined by contact measurement of local electric potentials of the myocardium. The mouth of the pulmonary vein 5 is a typical spatial site in the cardiac muscle, where sources of irregular self-excited waves arise in the 3 D volume of the cardiac tissue. Then, an optical fiber 2 is connected through the optical connector, into which the optical radiation of laser 1 with a wavelength selected from near infrared range (700-1550 nm). Next, the laser power level is set to not more than 1 W, the area of pathological excitation of the heart muscle is irradiated with laser radiation for a time corresponding to the disappearance of arrhythmia in the locally irradiated region. The disappearance of arrhythmia is due to a spatial increase in the temperature of myocardial cells to temperatures above 44, but not more than 56 degrees Celsius, which causes a functional suppression of the conductivity of irradiated myocardial cells with minimal damage to the heart muscle.

Основное преимущество предлагаемого способа над наиболее эффективным способом радиочастотной абляции подавления локальных аритмий заключается в возможности управления 3D температурными полями в облучаемой области с помощью лазерного излучения из торца оптического световода, расположенного в пространственно-управляемом катетере, введенном во внутренние полости сердца.The main advantage of the proposed method over the most effective method of radiofrequency ablation of the suppression of local arrhythmias is the ability to control 3D temperature fields in the irradiated region using laser radiation from the end of the optical fiber located in a spatially controlled catheter inserted into the internal cavities of the heart.

Для подтверждения заявляемых положений нами были проведены эксперименты на сердце лабораторных крыс для определения 2D температурных полей по поверхности сердечной мышцы, подверженной лазерному облучению с конца оптического световода in vivo, а также распределение 3D температурных полей в сердечной мышце in vitro (фиг.3-6). Анализ проведенных и частично представленных экспериментальных результатов показывает, что выбором режимов излучения лазера, в частности: выходной лазерной мощности, плотности мощности, времени облучения, возможно управление динамикой 3D локального пространственного нагрева миоцитов, в то время как в методе радиочастотной абляции возможно регулирование только выходной мощности радиочастотного генератора не более 30 Вт и времени облучения типично не более 1 минуты на одну пространственную точку внутри области сердца, при этом максимальная температура возникает на металлическом конце зонда, который касается внутренней полости сердца, а далее температурные поля устанавливаются за счет термодиффузии. Однако в современной электрофизиологии сердца известно, что самовозбуждающиеся миоциты, являющиеся источником аритмий, возникают на внешней поверхности сердца. Использование лазерного излучения из так называемого окна прозрачности биотканей в ближней ИК области (700-1550 нм), где слабое поглощение гемоглобина эритроцитов возможно эффективное проникновение лазерного излучения до одного сантиметра, позволяет управлять температурой сердечной мышцы и в глубине. При этом важно, что процесс остывания составляет менее нескольких секунд, в отличие от теплового нагрева при радиочастотной абляции. Спектральная область ограничена снизу сильным поглощением в сине-зеленой области молекулами гемоглобина крови, а сверху резонансными колебаниями молекулы воды и их гармониками. Как показали эксперименты при использовании импульсных лазерных режимов облучения, можно добиться большей пространственной локальности температурных полей и соответственно более щадящего режима фототермолиза миоцитов. To confirm the claimed provisions, we conducted experiments on the heart of laboratory rats to determine 2D temperature fields on the surface of the heart muscle exposed to laser radiation from the end of the optical fiber in vivo, as well as the distribution of 3D temperature fields in the heart muscle in vitro (Figs. 3-6) . An analysis of the conducted and partially presented experimental results shows that by choosing the laser radiation modes, in particular: output laser power, power density, irradiation time, it is possible to control the dynamics of 3D local spatial heating of myocytes, while in the method of radiofrequency ablation, only output power can be controlled of a radio frequency generator of not more than 30 W and irradiation time typically not more than 1 minute per spatial point inside the region of the heart, while the maximum The temperature arises at the metal end of the probe, which touches the inner cavity of the heart, and then the temperature fields are established due to thermal diffusion. However, in modern cardiac electrophysiology it is known that self-excited myocytes, which are the source of arrhythmias, occur on the outer surface of the heart. The use of laser radiation from the so-called window of transparency of biological tissues in the near infrared region (700-1550 nm), where weak absorption of red blood cell hemoglobin is possible, the effective penetration of laser radiation up to one centimeter, allows you to control the temperature of the heart muscle and in depth. It is important that the cooling process is less than a few seconds, in contrast to thermal heating during radiofrequency ablation. The spectral region is bounded from below by strong absorption in the blue-green region by hemoglobin molecules of the blood, and from above by resonant vibrations of the water molecule and their harmonics. As experiments showed when using pulsed laser irradiation modes, it is possible to achieve a greater spatial locality of the temperature fields and, accordingly, a more sparing photothermolysis regime of myocytes.

Параметры лазерного непрерывного и импульсного воздействия определялись экспериментально на фантомах биоткани сердца и in vivo на открытом сердце крысы, при последующем гистологическом анализе. Необходимая лазерная энергия, время облучения каждой пространственной области патологических миоцитов и минимальная длительность лазерного импульса ограничивались условиями, указанными в формуле изобретения.The parameters of laser continuous and pulsed exposure were determined experimentally on phantoms of the heart biotissue and in vivo on the open heart of the rat, with subsequent histological analysis. The necessary laser energy, the irradiation time of each spatial region of pathological myocytes and the minimum duration of the laser pulse were limited by the conditions specified in the claims.

Таким образом, лазерная абляция обладает управляемым локальным нагревом не только 2D поверхности клеток сердца, но и локальным фототермолизом сердечных патологических 3D миоцитов при минимальном повреждении нормальных миоцитов в сердечной мышце.Thus, laser ablation has controlled local heating not only of the 2D surface of the heart cells, but also of local photothermolysis of cardiac pathological 3D myocytes with minimal damage to normal myocytes in the heart muscle.

Claims

A method of ablation of a pathological region of the heart, including the introduction of a catheter through the femoral or subclavian vein during X-ray or MRI imaging of a spatially controlled catheter into the inner region of the right or left atrium or ventricles of the heart, spatial electrophysiological mapping of the inner surface of the heart to detect areas of arrhythmias using an externally-guided catheter tip with an electrode, determined by contact measurement of local electric potentials of the heart of the target muscle, and irradiation of the area of pathological excitation of the heart muscle by electromagnetic radiation, characterized in that laser radiation is used as electromagnetic radiation in the transparency region of the cardiac biological tissue corresponding to the near IR range from 700 nm to 1350 nm, which is introduced into a quartz optical fiber inserted into spatially controlled catheter, at the level of laser energy input, determined by the disappearance of the local area of pathological electrical pulsations of the heart muscle , using a continuous laser mode with a laser power at the output end of the catheter of not more than 1 W, or a pulsed laser mode with an average optical power corresponding to a continuous mode, and with a laser pulse duration of not more than 10 nanoseconds with a duty cycle of at least ten, and the exposure time no more than one minute.