PLASMA FLOW SURGICAL TECHNOLOGY: FROM THE SOURCES - TO OUR DAY

Full Text

Понятие физической плазмы и принцип работы плазмотрона В 1929 г. американские учёные Ирвинг Ленгмюр (1881-1957) и Леви Тонкс (1897-1971) впервые назвали плазмой ионизированный газ в газоразрядной трубке. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из ионов и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть выполнено условие квазинейтральности [1, 2]. Следует отметить, что физическая плазма - это наиболее распространённое состояние вещества в природе, на её долю приходится около 99% массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд и туманности, полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, - всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже является физической плазмой. Наиболее широко физическая плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных установках и лампах дневного света. Она задействована в самых разных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, генераторах сверхвысоких частот, счётчиках космических частиц. С созданием плазмотрона в конце 80-х годов прошлого столетия возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазменные потоки, применяемые в клинической практике, образуются при прохождении инертного газа (аргона, гелия) или струи атмосферного воздуха через дуговой разряд между двумя электродами генератора [3, 4]. За счёт мощнейшей электромагнитной «бомбардировки» происходит ионизация молекул рабочего газа. В конечном итоге на выходе из плазмотрона получается исходный (нейтральный) газ запредельно высокой температуры и скорости истечения, а также мощное рекомбинационное излучение преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Температура раскалённой струи варьирует в пределах 3500-15 000ºС. Длина светящейся части факела составляет 10-15 мм, а её диаметр зависит от конструкции рабочего органа установки (плазмотрона) и не превышает 1-2 мм. Концентрация огромных эквивалентов ТЭН в небольшом пространстве позволяет плазменному потоку (ПП) при отсутствии механического контакта раны с рабочей частью установки легко и быстро рассекать биологические ткани путём мгновенного испарения, то есть вапоризации [4, 5]. Одновременно происходит коагуляция мелких кровеносных и лимфатических сосудов, а также стерилизация зоны вмешательства [6]. Начало применения плазменных потоков в хирургии Первые научные исследования по применению плазменной технологии в медицине начались в 70-х годах прошлого столетия в США [7, 8]. Обоснованием для этого стала появившаяся техническая возможность подводить плазменную струю к биологическим структурам. Созданные тогда плазмотроны были предназначены только для диссекции мягких тканей и получили название «Plasma Scalpel» (плазменный скальпель), «Thermal Knife» (термический нож). Они генерировали ионизированную струю небольшой мощности (до 70 Вт) с температурой на выходе до 2700ºС. Из-за недостаточной мощности потока исследователям приходилось длительное время воздействовать на ткани, что вызывало значительный перегрев и повреждение клеточно-тканевых структур вне зоны обработки. Кроме того, по обрывочным сведениям, имела место гибель подопытных животных в экспериментах в результате воздушно-газовой эмболии, обусловленной технологическими недочётами в системе охлаждения первых установок [9]. Дальнейшие научно-практические изыскания в данной области по несовсем понятным причинам в Западных странах были приостановлены на многие годы. Первые зарубежные двухэлектродные плазмотроны не позволяли достичь оптимальных параметров ПП. Позднее были предложены модификации в виде трёхэлектродных устройств, в которые затем добавили межэлектродные вставки для увеличения коэффициента полезного действия. Благодаря этому с середины 90-х гг. прошлого столетия началась новая эра в развитии плазменной технологии на Западе. На зарубежном рынке медицинской техники вновь появились хирургические установки, использующие в качестве рабочего газа аргон: вначале это был «plasmsurg 101» (Швеция) и «CoagSafeтм» (США), а затем «plasmajetTM» (Великобритания) [10]. Примечательно, что разработчиком всех вышеперечисленных моделей является бывший наш соотечественник, инженер-конструктор Н.И. Суслов. Развитие отечественной плазменной хирургии В нашей стране становление плазменной хирургии связано с именами профессоров В.С. Савельева, Г.И. Лукомского и О.К. Скобелкина, которые ещё в 80-х годах прошлого столетия доказали эффективность этой технологии при выполнении хирургических вмешательств на паренхиматозных органах и мягких тканях (рис. 1-3). В ходе комплексных исследований ими установлено, что изменения, происходящие в тканях печени, селезёнки и лёгких под действием ПП, идентичны по характеру заживления. В целой серии диссертационных работ приводились данные об успешном применении плазменной энергии при выполнении различного рода оперативных вмешательств. Анализ литературы показал, что в отечественной хирургии, по сути, сформировались целые школы - лидеры по разработке и внедрению новой технологии, в числе которых кафедра общей хирургии Смоленской медицинской академии (Плешков В.Г., Забросаев В.С. и др.), клиника госпитальной хирургии Ставропольского медицинского университета (Вафин А.З., Айдемиров А.Н.), научная группа под руководством академика В.С. Савельева на кафедре факультетской хирургии Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова (Ступин И.В., Волкоедов В.С., Береснев А.С. и др.), клиника хирургии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (Нечай Л.И., Трофимов В.М., Брюсов П.Г.), кафедра хирургии Центральной государственной медицинской академии Управления делами президента РФ (Скобелкин О.К., Брехов Е.И. и Пекшев А.В.), кафедра факультетской хирургии № 2 Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова (Шулутко А.М.). Положительные результаты исследований, выполненных за последние 30 лет, способствовали применению ПП: ◆при холецистэктомии (как традиционной, так и видеолапароскопической) - на этапе обработки ложа жёлчного пузыря; время операции сокращается, если отсечение жёлчного пузыря производить плазменным скальпелем; в послеоперационном периоде ни в одном наблюдении не отмечено крове- или жёлчеистечения по дренажам [3]; ◆в ходе проведения резекции печени и желудка, органосохраняющих вмешательств на селезёнке, а также обработке остаточной полости у пациентов с эхинококкозом различной локализации [6, 11]; ◆в оперативной гинекологии - при органосохраняющих операциях на яичниках и матке через классический и лапароскопический доступы [4, 12-14]; ◆во время вмешательств по поводу злокачественных новообразований различной локализации - высокотемпературная плазменная струя в момент удаления очага патологического роста вызывает некроз клеток в пограничной с разрезом области, а стимулирующее воздействие «высокой» энергией улучшает результаты реконструктивно-пластических пособий у данной категории больных [15]; ◆в торакальной хирургии; наиболее востребовано применение ПП при коагуляции поверхности лёгкого по линии резекции, стерилизации и герметизации деплеврезированной поверхности лёгкого; при деструкции патологических тканей (шварты, фибриновые наложения) у больных с эмпиемой плевры [16-19]. Плазменная энергия при этом обеспечивает надежный гемоаэростаз на обширных раневых поверхностях лёгкого, не приводит к деформации лёгкого и не препятствует его быстрому и полному расправлению; ◆при вмешательствах на лор-органах и в хирургической стоматологии, в том числе при лечении пациентов с флегмонами челюстно-лицевой области и заглоточного пространства [20, 21]; ◆в комбустиологии, военно-полевой и гнойной хирургии [3, 22-24]. Плазменная обработка в различных режимах широко применяется без малого 30 лет в ходе хирургической обработки и дальнейшего этапного лечения термических, огнестрельных и минно-взрывных поражений, различных гнойно-некротических ран, пролежней и трофических язв; ◆в травматологии и ортопедии плазменно-физическая коагуляция раневой зоны рекомендуется для гемостаза и профилактики инфекции в ходе остеосинтеза, удаления костно-хрящевых опухолей, эндопротезирования суставов [25]. Основные типы плазменных установок За весь период становления плазменной хирургии в нашей стране создано четыре типа высокоэнергетических установок, работающих на инертном газе. Первый тип плазменных установок разработан еще в 1978 г. на Смоленском авиационном заводе на базе установки СУПР-1, ранее предназначенной для резки металлов. Создателем смоленского плазменного скальпеля является ведущий инженер завода А.С. Береснев (рис. 4). В качестве рабочего тела он использовал инертные газы (гелий и аргон). В 1979-1980 гг. сотрудниками Смоленского медицинского института в условиях областной клинической больницы проводились масштабные экспериментальные исследования по отработке режимов воздействия установки на биологические ткани. В 1981-1984 гг. в Клинике факультетской хирургии Второго МОЛГМИ им. Н.И. Пирогова были завершены все необходимые медико-технические испытания, после чего установку запустили в серийное производство. В 1984 г. создана установка СУПР-М, а в 1986 г. - СУПР-2М (рис. 5 на на 3-й стр. обложки). Они отмечены медалями ВДНХ СССР в 1985 и 1987 гг. Приоритет изобретений защищён 5 авторскими свидетельствами и патентом США. Установки СУПР серийно выпускались на Смоленском авиационном заводе в 1987-1992 гг. Произведено более 400 единиц, которые поставлялись в различные лечебные учреждения СССР. Именно данные установки при всём технологическом несовершенстве стали основой для формирования плазменной хирургической технологии как таковой. В наши дни, спустя более 30 лет, несколько десятков установок модельного ряда СУПР продолжают успешно эксплуатироваться в России и в странах СНГ. В 2001 г. на Всемирной технологической выставке в г. Эссен (Германия) было представлено следующее поколение плазменных установок первого типа - скальпель плазменный СП-ЦПТ, разработчик - ЗАО «Центр плазменных технологий», г. Смоленск (рис. 6 на 3-й стр. обложки). Принципиальным отличием данной модели был программируемый режим работы, а также более современная эргономика, наличие в штатной комплектации лапароскопических и физиотерапевтических плазмотронов. На базе того же авиационного завода в 2003-2009 гг. выпущено более 50 экземпляров. И наконец, в 2014 г. в рамках программы венчурного финансирования в технопарке «Саров» впервые представлено новейшее поколение плазменно-дугового оборудования, получившее название «Плазморан» (рис. 7 на 3-й стр. обложки). Установка имеет полностью цифровую интеллектуальную систему управления, но предназначена исключительно для лечения гнойных ран, трофических язв и пролежней. В настоящее время она прошла клинические испытания, отработку технологического регламента и зарегистрирована в реестре медико-технических изделий РФ. Второй тип плазменных установок, использующих для работы инертные газы, разработан в 1992-1994 гг. при сотрудничестве МГТУ им. Н.Э. Баумана и Учебного научного центра факультета информатики и системы управления этого же университета - Факел-3, Факел-7, Факел-9 (рис. 8 на 3-й стр. обложки). Принципиальное конструктивное новшество - генератор плазмы с межэлектродной вставкой (трёхэлектродная и более схема) - позволило существенно улучшить энергетические характеристики устройства. Благодаря увеличению длины электрической дуги (с 7 до 35 мм) удалось получить стабильно мощные ПП любых инертных газов при объёмном расходе до 4 л/мин. Усилиями инженеров испарение материала электродов было сведено к минимуму, так как мощность разряда обеспечивалась увеличением напряжения, а не силы тока. В последующие годы установка модернизировалась и в кооперации МВТУ им. Н.Э. Баумана - институт им. Патона (Украина, Киев) и КБ «Южное» (Украина, г. Днепропетровск) выпускалась в двух модификациях: Факел-01 и последняя - ПХК Плазмамед собственной разработки КБ «Южное». К сожалению, все вышеперечисленные модели так и не запущены в серийное производство по ряду объективных в тот исторический период причин. Третий тип плазменных установок был создан на базе ВСВУ-160 (выпрямитель сварочный высокочастотный универсальный, г. Омск) со следующими параметрами: рабочие газы - аргон, гелий, температура струи плазмы 3500-8000ºС, мощность струи от 350 Вт до 1,5 кВт, длина плазменного факела 0,2-2 мм, расход газа 1-10 л/мин. Плазмотрон комплектовался специальными сменными соплами. Установка выпускалась мелкими партиями в течение 2 лет (1994-1996 гг.), не получив широкого применения в клинической практике (фотографии и чертежи, к сожалению, не сохранились). Четвёртый тип плазменных установок - УМПР-20 (Прометей), созданный сотрудниками Ленинградского политехнического института им. М.И. Калинина (кафедра сварки) совместно с ВМА им. С.М. Кирова (кафедра абдоминальной хирургии). Устройство состояло из источника питания с пускорегулирующей аппаратурой и плазмотрона, соединённого с ним посредством гибкого кабеля (рис. 9 на 3-й стр. обложки). Оно также комплектовалось сменными соплами-головками. К сожалению, данная установка также не вышла в серийное производство по экономическим причинам. Воздушно-плазменная технология Определённые трудности в сервисном обслуживании плазменных медицинских установок, работающих на инертном газе, привели отечественных конструкторов к идее заменить дорогостоящие аргон и гелий атмосферным воздухом. С этой целью коллективом сотрудников МГТУ им. Н.Э. Баумана в начале 90-х годов ХХ в. впервые в мире была создана серия аппаратов, генерировавших низкотемпературную воздушную плазму (Плазматом-1, Плазмотом-2, Искротом). Следующим этапом была экспериментальная разработка и внедрение в клиническую практику воздушно-плазменного хирургического аппарата Гемоплаз ВП (рис. 10 на 3-й стр. обложки). Существенным отличием его было не только использование в качестве рабочего тела атмосферного воздуха, но и небольшие габариты, что значительно упрощало эксплуатацию. Возникла идея применения установок в военно-полевых условиях и в амбулаторной хирургии [26]. Дальнейшие разработки велись под руководством главного хирурга МО РФ профессора П.Г. Брюсова совместно с инженерами НИИ ЭМ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. К концу 1994 г. создан опытный образец, прошедший успешные испытания в ходе антитеррористических спецопераций на Северном Кавказе (1994-1996 гг). Усилия инженеров-разработчиков, рекомендации военно-полевых хирургов, а также учёт технических недостатков первого образца позволили спустя несколько лет сконструировать аппарат Плазон, максимально отвечавший требованиям как военно-полевой, так и амбулаторной хирургии (рис. 10 на 3-й стр. обложки). Если морфологические изменения в зоне воздействия воздушно-плазменного потока (ВПП) в режиме резки и коагуляции идентичны таковым при высокотемпературной обработке потоком аргоновой или гелиевой плазмы, то терапевтический эффект определяется плазмохимической генерацией в потоке молекул оксида азота (II). Установлено, что под влиянием экзогенного NO значительно ускоряются регенераторные процессы в очаге хирургической инфекции. Выявлены конкретные механизмы положительного действия NO-терапии: улучшение сосудистой трофики и тканевого обмена, бактерицидное и бактериостатическое действие, усиление фагоцитоза бактерий и некротического детрита макро- и микрофагами, стимуляция секреции активированными макрофагами цитокининов, усиливающих, в свою очередь, рост фибробластов и микрососудов [27-30]. В настоящее время методика широко применяется во многих областях хирургии - в онкологии, гинекологии, офтальмологии для лечения гнойно-воспалительных заболеваний различной этиологии и локализации. За разработку и внедрение в медицинскую практику новых лечебных технологий и технических средств на основе использования воздушной плазмы группе авторов (Грачев С.В., Шулутко А.М., Ефименко Н.А., Кабисов Р.К., Вагапов А.Б., Пекшев А.В. и др.) присуждена премия Правительства Российской Федерации за 2003 г. в области науки и техники (Постановление Правительства РФ от 16.02.2004 г. № 85). Плазменная хирургическая технологии сегодня Как показало время, методика наиболее востребована в гнойной хирургии. Здесь уже много лет применяют два режима плазменно-физического воздействия: 1. Хирургический режим (диссекция или резка, коагуляция) - воздействие на раневую поверхность высокотемпературным газовым факелом на заключительном этапе некрэктомии [27, 31]. 2. Терапевтический режим (стимуляция) - регулярная обработка раневой поверхности охлаждённым ПП с целью стимуляции регенераторных процессов и купирования воспаления. Озон и ультрафиолетовое излучение, сопровождающие физическую плазму, обеспечивают мощный антимикробный эффект [20, 23, 27]. Учитывая особенности течения гнойно-воспалительных заболеваний, за последние 20 лет отечественными исследователями предлагались различные способы оптимизации результатов комбинированного лечения. Так, профессор К.В. Липатов из клиники общей хирургии Сеченовского университета уже много лет сочетает воздушно-плазменную обработку с «озвучиванием» постнекрэктомической раны озонированным физиологическим раствором (2002 г.) [32]. С.О. Ондар (2005 г.) в своей кандидатской диссертации сообщил об использовании воздушно-плазменных потоков в режиме NO-терапии совместно с биологически активными раневыми покрытиями [33]. Это позволило авторам уже к 4-5-м суткам резко снизить уровень бактериальной контаминации, более чем в 1,5 раза сократить сроки подготовки гнойных ран к восстановительным вмешательствам. Аналогичные результаты представил в 2008 г. в своей кандидатской диссертации В.И. Грушко [34]. Различные лечебные схемы, включающие воздушно-плазменную обработку, фотодинамическую терапию и полифункциональные раневые покрытия, при трофических язвах и длительно незаживающих ранах предложены специалистами отделения хирургических инфекций ГНЦ лазерной медицины Минздрава РФ и ГКБ № 51 Москвы - докторами медицинских наук А.В. Дуванским (2004 г.) и А.А. Раджабовым (2002 г.) [35, 36]. На базе Главного военного клинического госпиталя им. H.H. Бурденко и кафедры хирургии Государственного института усовершенствования врачей Минобороны РФ (ГКБ № 29) Л.В. Писаренко (2004 г.) успешно осуществляет аргоноплазменную обработку при обширных гранулирующих ранах до и после пересадки клеточно-кожной культуры аллотрансплантантов [37]. Немалый вклад в развитие плазменной технологии внесли сотрудники кафедры факультетской хирургии № 2 Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, возглавляемой проф. А.М. Шулутко (УКБ № 4, бывшая ГКБ № 61 г. Москвы). В течение последних 18 лет ими проведены масштабные научные работы по оценке эффективности ПП в ходе комплексного лечения различного рода гнойно-воспалительных заболеваний мягких тканей, а также в торакальной хирургии. По данной тематике на кафедре защищены 9 диссертаций (1 докторская и 8 кандидатских). Уже много лет широко используется комбинированное и раздельное аргоновоздушно-плазменное воздействие в ходе комплексного лечения обширных гнойных ран, некротизирующих фасциитов, трофических язв и пролежней, различных форм рожистого воспаления, острого варикотромбофлебита, во время выполнения больших ампутаций у пациентов с ишемической гангреной нижних конечностей [38-42]. В отделении торакальной хирургии УКБ № 4 Сеченовского университета доцент А.С. Качикин успешно использует плазменную систему PlasmaJet с целью стерилизации, аэро- и гемостаза и герметизации лёгких в ходе видеоторакоскопической санации эмпиемы плевры, резекции лёгочных булл, эхинококкэктомии, удалении опухолей и кист лёгкого [17]. Заключение Плазменная хирургическая технология - это уникальная отечественная разработка, пришедшая на смену традиционным интервенциям с привлечением иных видов хирургической энергии. Применение физической плазмы в хирургии стало важным открытием своего времени и позволило повысить эффективность вмешательств на различных органах и тканях, снизить частоту возможных осложнений и летальность. Широчайший спектр терапевтического воздействия и различные режимы делают плазменную обработку методом выбора при лечении воспалительных и гнойно-некротических процессов различной этиологии и локализации, и не только таковых.

About the authors

A. M Shulutko

«The I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)»

119991, Moscow, Russian Federation

Elkhan G. Osmanov

«The I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)»

Email: mma-os@yandex.ru
doctor of medical sciences, associate professor of the higher atestation commission for the specialty “surgery”, professor of department of faculty surgery No. 2 “The First Moscow State Medical University (Sechenov University)”, 119991, Moscow, Russia Federation 119991, Moscow, Russian Federation

V. I Semikov

«The I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)»

119991, Moscow, Russian Federation

A. D Macharadze

«The I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)»

119991, Moscow, Russian Federation

References

Supplementary files