О некоторых особенностях динамики оксигенации кровенаполненных тканей при лазерном воздействии

О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ДИНАМИКИ ОКСИГЕНАЦИИ КРОВЕНАПОЛНЕННЫХ ТКАНЕЙ ПРИ ЛАЗЕРНОМ

ВОЗДЕЙСТВИИ

Д.В. Мокрова (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет) Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор Е.Т. Аксенов

В работе приводятся результаты исследования тенденции динамики оксигенации тканей кожного покрова человека под воздействием лазерного излучения. Измеряемой величиной является изменение сатурации 8а02 крови в приповерхностной области кожи при воздействии когерентного света в диапазоне длин волн от 440 нм до 655 нм, дискретно перекрывающего практически всю область поглощения оксигемог-лобина крови в видимом диапазоне длин волн. Мощность излучения менялась от 1 мВт до 2 Вт.

Введение

В настоящее время лазеры широко применяются в клинической практике в различных областях современной медицины. Особое место занимает использование био-стимулирующего и терапевтического воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения при лечении широкого спектра заболеваний, например, лазерная терапия кожных заболеваний (язв, ран, ожогов, пролежней и анаэробных инфекций). Несмотря на то, что накоплен большой объем экспериментальных данных, преобладающий механизм биологического действия лазерного излучения до сих пор не установлен, и, соответственно, не решен ключевой вопрос лазерной терапии - определение оптимальной дозы воздействия.

В общем случае энергия светового потока, падающего на биологическую ткань, может, в зависимости от характера поглощения, преобразовываться в тепло, стимулировать фотохимические реакции, флуоресценцию, акустические волны.

Кроме того, необходимо выделить в этом ряду механизмы параметрических резо-нансов в биосистеме, возникающих при воздействии световых волн, особенно модулированных по частоте и амплитуде, а также импульсно-модулированных. Известно, что многоатомные биологические молекулы и клеточные системы, связанные упругими связями, имеют достаточно широкие колебательные спектры. Раскачивание связей может приводить к их разрыву или образованию новых, что с точки зрения биологических результатов трудно поддается изучению и интерпретации.

В каждом конкретном случае характер преобразования световой энергии в значительной мере определяется теми хромофорами и фотоакцепторами, которые преобладают в данной биоткани.

С точки зрения методов неинвазивной лазерной терапии и биостимуляции под воздействием низкоинтернсивного когерентного лазерного излучения (НИЛИ) с мощностью светового потока на выходе лазера от единиц милливатт (мВт) до нескольких десятков милливатт и варьируемой плотностью мощности (мВт/см2), в первую очередь, вызывает интерес кожный покров тела человека и, соответственно, оптические свойства хромофоров биологических структур, составляющих эту ткань.

Выполнявшиеся ранее и проводящиеся в настоящее время исследования по изучению реакции на когерентное, монохроматическое лазерное излучение отдельных компонентов кожи, а также кожи как целостной биологической структуры, например [1, 2, 6], показывают явно выраженную зависимость оптико-физических, оптико-механических и биохимических параметров исследовавшихся объектов от параметров светового излучения: плотности мощности, длины волны и длительности облучения -дозы. При этом, в том числе, выявлено стимулирующее влияние светового воздействия до некоторой (оптимальной) дозы и подавление стимуляции при ее превышении.

Ввиду того, что с точки зрения поглощения и преобразования световой энергии кожный покров тела человека - кровенаполненная биологическая ткань - является достаточно сложным объектом, позволяющим реализовываться различным вариантам фотохимических и фотофизических процессов, выявление преобладающего механизма биологического воздействия крайне затруднительно и требует поэтапного изучения.

Одним из возможных и наблюдаемым механизмом преобразования световой энергии является оксигенация гемоглобина крови в кожном покрове человека при воздействии на нее НИЛИ [3, 6].

Цель работы

В большинстве работ по исследованию динамики оксигенации крови используются лазерные источники излучения с длинами волн в диапазоне 600-800 нм. Однако спектр поглощения гемоглобина крови достаточно широк (рис. 1). В связи с этим практический интерес представляет оценка изменения оксигенации крови в капиллярном русле как в различных областях спектрального диапазона поглощения оксигемоглоби-на, так и при различных уровнях плотности мощности светового излучения.

150 540 630 720 X, НМ

а)

Рис. 1. а) Типичные спектры поглощения оксигемоглобина (1) и дезоксигемоглобина (2) крови кровеносных сосудов. б) Эффективность поглощения лазерного излучения окси-гемоглобином в максимумах полос поглощения (585 нм) и (960 нм) на различной

глубине кожи

С этой целью в работе был использован ряд лазеров в следующих диапазонах длин волн и мощностей:

- He-Ne лазер (Х=632,8 нм) ЛГ 207 А - мощность 1мВт;

- He-Ne лазер (Х=632,8 нм) ЛГ 219 «Diana» - мощность 5 мВт;

- п/п лазер с длиной волны (Х=655 нм) HLDPM12-655-25 - мощность до 25 мВт;

- He-Cd лазер (Х=440 нм) ЛПМ - 11- мощность 2 мВт;

- лазер на парах меди, оригинальной разработки к.ф.-м.н. Ю.М. Мокрушина, (Х1=510,6 нм и Х2=578,2 нм) - мощность 2 и 1 Вт соответственно.

При проведении экспериментальных исследований за основу была принята методика измерений, предложенная в работах [3-5] Суть методики состоит в регистрации изменения степени оксигенации крови под действием НИЛИ методом пульсоксимет-рии. Схема эксперимента представлена на рис. 2. Для измерений использовался пуль-соксиметр 4700 OxiCap Datex Ohmeda (частота измерения до 5Гц).

В рамках выбранной методики измерений регистрируемой величиной является сатурация SaO2 в капиллярных и малых сосудах приповерхностной области кожного покрова. В связи с этим динамика изменения SaO2 позволяет проводить оценку тенденции

динамики оксигенации тканей в области светового облучения, однако количественная оценка связи динамики БаО2 с динамикой оксигенации тканей достаточно сложна.

Пульсоксиметр

МОДУЛЬ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛА

Рис. 2. Схема эксперимента

Для определения того, насколько адекватно выбранная система регистрации отражает состояние локальной циркуляции крови, была проведена серия измерений динамики оксигенации крови в капиллярном русле верхней фаланги пальца руки при следующих условиях:

• без воздействия внешних факторов, при этом состояние окружающей среды (в основном температура) сохранялось одинаковым при выполнении всех последующих измерений;

• при окклюзии артерии, достигавшейся пережатием руки резиновым жгутом в области предплечья;

• при понижении температуры кожного покрова.

В ходе этих экспериментов показания пульсоксиметра соответствовали ожидаемой зависимости степени оксигенации крови от температуры и кровенаполненности ткани, поэтому можно утверждать, что выбранная схема регистрации работала достоверно. При этом естественный уровень оксигенации менялся во времени, наблюдались нерегулярные колебания в пределах 1% от уровня 98%, соответствовавшего норме, что обусловлено пространственно-временными изменениями циркуляции крови.

Результаты измерений

Проводилось исследование динамики оксигенации крови в зависимости от мощности и длины волны лазерного излучения [7, 8].

Результаты этих исследований состоят в следующем.

1. В случае Не-Ые лазера (Х=632,8 нм) ЛГ 207 А - мощностью 1мВт, плотность мощности 0,1 Вт/см2 наблюдалось снижение уровня оксигенации крови через 40 секунд после начала облучения (рис. 3, а).

Как известно, до 20-30% светового потока, падающего на кожу, отражается (фре-нелевское отражение и обратное рассеяние) от нее, кроме того, около 30% света отражается от поверхности крови, насыщенной кислородом. Такие световые потери могут оказать существенное влияние на динамику оксигенации, особенно при малых интен-сивностях иррадиирующего светового потока. В связи с этим представляло интерес провести оптическое просветление кожного покрова в области облучения. Оптическое просветление проводилось по методике, предложенной в работе [9], и достигалось нанесением на поверхность кожи 4-х слоев биологически нейтрального раствора глице-

рина с водой через 15 минут каждый последующий. Применение методики оптического просветления позволяет получать явное уменьшение степени оксигенации крови по сравнению с опытом без просветления (рис. 3, б).

а)

120 140 160 180 200 220

He-Nejiaiepl мВт, оптическое просветление Sa02-98 %

Рис. 3. Динамика степени оксигенации в капиллярном русле кожи руки при облучении поверхности кожи He-Ne лазером, Р=1мВт: а) без просветления, б) с предварительным

оптическим просветлением

2. При воздействии на поверхность кожи излучением He-Ne лазера (Х=632,8 нм), ЛГ 219 «Diana» мощностью 5 мВт (П=0,28 Вт/см2), через 40 секунд после начала облучения наблюдается увеличение степени оксигенации на 1%, но через 30 секунд она восстанавливается. (рис. 4). После оптического просветления кожи реакция наблюдалась через 10 секунд после начала облучения (рис. 4).

время, с

He-Ne лазер 5мЕ!т огттнческое просветление He-Ne лазер 5 мВт. несфокусированный пучок Sa02=S7 %

Рис. 4. Динамика степени оксигенации в капиллярном русле кожи руки при облучении поверхности кожи He-Ne лазером, Р=5мВт в параллельном пучке до оптического

просветления и после

3. При облучении поверхности кожи светом п/п лазера с длиной волны Х=655 нм, НЬБРМ12-655-25 - мощность до 25 мВт (П=0,28 Вт/см2), наблюдалось понижение степени оксигенации крови через 15-20 секунд после начала облучения (рис. 5).

Полученные результаты позволяют предположить, что регистрируемые изменения оксигенации связаны в большей степени с компенсационными процессами, стимулированными разогревом тканей, а не с процессами фотодиссоциации оксигемоглобина.

Подтверждением этого могут служить результаты комбинированного воздействия на сосуды руки испытуемого, состоявшего в сочетании облучения кожи п/п лазером, мощностью 20 мВт, и артериальной окклюзии (рис. 6).

Видно, что восстановление нормальной степени оксигенации при облучении светом (Х=655 нм, PиЗл=20 мВт) происходит на 30% быстрее, чем без облучения. Таким образом, можно предположить, что процессы освобождения кислорода, содержащегося в заглубленных относительно поверхности тканях, стимулируется подводимым световым потоком. При этом, скорее всего, преобладающим механизмом является нагрев тканей, приводящий к усилению кровотока.

Рис. 5. Динамика степени оксигенации в капиллярном русле кожи руки при облучении поверхности кожи п/п лазером (А=655 нм), Р=20мВт

100 ....

Ч Снятие окклюзии

88 40 80 f 120 100

время, с

-- Эа02=Э7%

артериальная окклюзия без облучения

Рис. 6. Динамика степени оксигенации в капиллярном русле кожи руки при артериальной окклюзии при одновременном облучении поверхности кожи п/п лазером,

Р=20мВт

4. При воздействии на поверхность кожи излучением Не-Сё лазера, ЛПМ - 11 (Х=440 нм) - мощность 2 мВт (П=0,11 Вт/см2), снижение степени оксигенации начинается через 5 секунд (рис. 7), в отличие от 15 секунд в случае облучения светом с Х=632,8 нм и мощностью 1 мВт, что связано с большим значением квантового выхода (0,4) по сравнению с квантовым выходом (0,1) на Х=632,8 нм.

Не-Сс! лазер 2 мВт, несфокусированный пучок

Рис. 7. Динамика степени оксигенации в капиллярном русле кожи руки при облучении поверхности кожи Ие-ОЬ лазером, Р=2мВт в несфокусированном пучке

5. Как следует из спектральных зависимостей поглощения света оксигемоглоби-ном крови (рис. 1), существенное поглощение наблюдается в зеленом и желтом диапазоне длин световых волн. В соответствии с этим представляют интерес исследования динамики степени оксигенации в капиллярном русле кожи человека под воздействием света этих длин волн. В данной работе были проведены эксперименты с использованием излучения лазера на парах меди мощностью 3 Вт. Лазер на парах меди излучает одновременно световой поток на двух длинах волн - зеленой (Х=510,6 нм, Р=2 Вт) и желтой (Х=578,2 нм, Р=1 Вт). Режим работы лазера импульсный, частота 15 кГц. Диаметр светового пучка 10мм.

Результаты экспериментов с использованием зеленой и желтой линий лазера на парах меди (мощность порядка 1 Вт) показали, что облучение желтым светом приводит к реакции, схожей с эффектом от воздействия Не-Ые и п/п лазеров. Интересный эффект наблюдается при облучении кожи зеленой линией лазера на парах меди мощностью 1 Вт: через 30 секунд после начала воздействия степень оксигенации возрастает на 2% и колеблется с периодичностью около 30 секунд в этом диапазоне (рис. 8, а).

Л

а)

80 100 120 140 160

время, с  5а02=97£

1 Лазер на парах меди, зел. 1 Вт

т

б)

1 5а02=Э8 %

1 Лазер на пара« меди, зелёный, Р=2 Вт

Рис. 8. Динамика степени оксигенации в капиллярном русле кожи руки при облучении поверхности кожи лазером на парах меди: а) зеленая часть спектра, Р=1Вт;

б) зеленая часть спектра, Р=2Вт

Реакцию организма на облучение мощностью 2 Вт (рис. 8, б) можно объяснить активацией защитного механизма на возникновение болевого эффекта, но в целом адекватное объяснение происходящим процессам может быть получено при проведении дополнительных экспериментов, сопровождающихся биохимическим экспресс-анализом крови и повторным анализом через 1-2 часа для выяснения характера последействия [10].

Вторым механизмом преобразования световой энергии в кожном покрове, существующим наряду с процессом оксигенации, является преобразование в тепло, при этом лазерное излучение может приводить к существенной неоднородности температурного градиента в тканях, особенно на уровне одной клетки или ее органелл. Это, в свою очередь, может влиять на скорости биохимических реакций, приводить к деформации клеточных мембран, изменению их электропотенциала и т.д. Все эти процессы могут служить основой для интерпретации природы лечебного или биостимулирующего эффекта при воздействии на организм НИЛИ. В рамках теплового механизма преобразования световой энергии в биоткани можно объяснить изменения в процессах микроциркуляции крови. В работе [11] достаточно подробно рассматривается возможный механизм, приводящий к улучшению микроциркуляции.

Вопросы исследования и моделирования тепловых процессов при взаимодействии непрерывного и импульсного лазерного излучения с многослойной биотканью постоянно находятся в поле зрения исследователей [12-15]. В частности, в работе [14] рассматриваются физическая и расчетная модели лазерного блокирования кровотока. В основу методики положен наблюдаемый эффект сжатия (сужения) оболочки кровеносного сосуда при ее нагреве до некоторой критической температуры, что, скорее всего, является следствием термической денатурации внутренних оболочек сосуда. Проведенные в [15] измерения показывают, что пороговая температура сжатия (схлопывания) сосудов при длительности нагрева в несколько секунд составила 90°С, что хорошо соотносится с расчетным значением.

Результаты данной работы: ход изменения оксигенации тканей при облучении кожи излучением Не-Ые лазера мощностью 5 мВт в течение 20 секунд и излучением светом с длиной волны 510,6 нм и мощностью 2 Вт (до достижения болевого порога) можно, в связи со сказанным, интерпретировать в первом случае как локальное усиление кровотока, компенсирующего нагрев тканей, а во втором случае - как спазмирова-ние сосудов в зоне облучения, не сопрождающееся коагуляцией.

Обсуждение

Выполненный в данной работе комплекс измерений по определению динамики степени оксигенации биотканей пальцев руки при воздействии на поверхность кожного покрова лазерным излучением разных длин волн, лежащих в полосе поглощения НЬ02 крови человека, и разных уровней мощности и плотности мощности, позволяет сделать ряд выводов.

Лазерное облучение мощностью до 2 мВт на длинах волн 632,8 нм, 440 нм не вызывает изменения Ба02, отличающегося по величине от естественного. Однако наблюдаются некоторые отличия: регистрируются изменения Ба02 как в большую, так и в меньшую сторону относительно среднего значения; но эти изменения носят кратковременный характер и могут быть связаны с иными механизмами реакции биоткани на световое воздействие.

Оптическое просветление кожи пальцев руки в области воздействия лазерным излучением для этих же уровней мощности приводит к заметному (порядка 4%) изменению степени оксигенации в капиллярном русле в процессе облучения. Такой же эффект

наблюдается и при воздействии лазерным излучением мощностью 5 мВт (Х=632,8 нм). Необходимо отметить, что во всех случаях изменение SaO2 достигает максимального значения за время от 30 до 60 секунд от начала облучения. После достижения минимального значения SaO2, при продолжающемся облучении, значение SaO2 возвращается к нормальному уровню примерно за такое же время. Такая динамика изменения SaO2 в случае просветления кожи позволяет предположить, что в этом случае применение НИЛИ дает значительный физиологический эффект, однако время эффекта ограничено временами диффузии просветляющего реагента, и, если для получения терапевтического эффекта требуется большее время сохранения экстремального значения SaO2, то необходимо повторять просветление или подбирать просветляющее вещество с большим временем диффузии.

Увеличение мощности светового потока до 2 Вт приводит к заметному уменьшению сатурации (на 4%) относительно естественного уровня. Наблюдавшаяся динамика SaO2 определяется разогревом тканей, приводящим к блокированию кровотока, при этом ожидаемое увеличение кровотока, компенсирующее разогрев тканей, оказывается недостаточным. Надо отметить, что периодичность излучения лазера на парах меди (частота 15 кГц) оказывает влияние на рассматриваемые процессы, однако выяснение особенностей этого механизма требует дальнейших исследований.

Полученные в работе результаты отражают динамику изменения SaO2, однако освобождаемый при фотодиссоциации оксигемоглобина кислород не полностью поглощается тканями, а частично рекомбинирует с гемоглобином крови и переносится плазмой крови. Следовательно, выяснение реальной динамики оксигенации тканей при облучении когерентным светом требует, в том числе, расширения набора измеряемых параметров, в частности: скорости микроциркуляции крови; динамики изменения SaO2 в центре области воздействия, а не только на периферии; динамики спектра отраженного от области облучения белого света. Такое многопараметрическое исследование динамики SaO2 под воздействием НИЛИ позволит получить более детальное представление о происходящих в биоткани процессах. Все оптико-физические измерения необходимо сопровождать биохимическим анализом крови, как экспресс-анализом, так и пролонгированным, для обнаружения возможного последействия НИЛИ. Однако, несмотря на то, что примененная в данной работе методика измерений не является исчерпывающей, полученные результаты позволяют утверждать о наличии достаточно выраженного влияния как НИЛИ, так и лазерного излучения средней (20 мВт) и большой мощности на динамику сатурации кислорода в капиллярном русле кожного покрова человека. При этом характер изменения SaO2 зависит от параметров света при непосредственном воздействии излучения лазера на кожу и может заметно варьироваться при комбинированном воздействии: просветление кожи совместно со световым облучением.

Литература

1. Кару Т.Й. и др. Изменение спектра поглощения монослоя живых клеток после низкоинтенсивного лазерного облучения // ДАН - 1998. - Т. 360. - № 2. - С. 267-270.

2. Karu T.I Photobiological fundamentals of low-level laser therapy // IEEE J. Quant. Electr. - 1987. - V. QE-23 - Р. 1703-1717.

3. Асимов М.М., Асимов Р.М., Рубинов А.Н. Спектр действия лазерного излучения на гемоглобин кровеносных сосудов кожи // Журнал прикладной спектроскопии -1998. - Т. 65. - № 6. - С. 877-880.

4. Асимов М.М., Асимов Р.М., Рубинов А.Н., Мамилов С.А., Плаксий Ю.С. Влияние температуры на квантовый выход лазерно-индуцированной фотодиссоциации ок-сигемоглобина in vivo // Журнал прикладной спектроскопии - 2006. - Т. 73. - № 1. - С. 90-93.

5. Асимов М.М., Асимов Р.М., Рубинов А.Н., Мамилов С.А., Плаксий Ю.С. Стимулирование аэробного метаболизма клеток низкоинтенсивным лазерным излучением //Лазерная медицина. - 2007. - Т. 11. - Вып. 2. - С. 53.

6. Стратонников А.А., Лощенков В.Б., Дуплик А.Ю., Конов В.И. Контроль за степенью оксигенации гемоглобина в тканяхи крови при фотодинамической терапии // Рос. хим. журнал. - 1998. - Т. 52. - №5 - С. 63-67.

7. Мокрова Д.В. Динамика оксигенации тканей под воздействием лазерного излучения в полосе поглощения гемоглобина // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона. Материалы конференций политехнического симпозиума 2007 года - СПб: Изд. Политехнического ун-та, 2007. -124 с.

8. Мокрова Д. В. Исследование влияния неинвазивного лазерного облучения крови капиллярного русла на динамику оксигенации тканей //Материалы Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» 10 - 12 октября 2007 года. - СПб: Изд. Политехнического ун-та, 2007. - С. 186-188.

9. Проскурин С.Г., Ванг Р.К. Визуализация подкожных кровеносных сосудов человека посредством увеличения глубины когерентного зондирования // Квантовая электроника. - 2004. - Т. 34. - № 12. - С. 1157-1162.

10. Кару Т.И., Календо Г.С., Летохов В.С. Действие низкоинтенсивного видимого излучения медного лазера на культуру клеток HeLa // Квантовая электроника. -1982. - Т. 9. - № 1. - Т. 141-144.

11. Клебанов Г.И. Низкоинтенсивное лазерное облучение вызывает priming лейкоцитов // Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний. - М.: Изд-во ЛАС, 1996. - С. 11-14.

12. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н., Ярославский И.В., Тучин В.В. Моделирование тепловых процессов при взаимодействии некоагулирующего лазерного излучения с многослойной биотканью. ч. 1. Теория и модель расчета // Оптика и спектроскопия. - 1994. - Т. 76. - № 5. - С. 845-850.

13. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н., Ярославский И.В., Тучин В.В. Моделирование тепловых процессов при взаимодействии некоагулирующего лазерного излучения с многослойной биотканью. Ч. 2. Численные результаты //Оптика и спектроскопия. - 1994. - Т. 76. - № 5. - С.851-857.

14. Желтов Г.И., Астафьева Л.Г., Карстен А. Лазерное блокирование кровотока: физическая модель. 1. Прямоугольные импульсы излучения // Оптика и спектроскопия. - 2007. - Т. 102. - № 3. - С. 518-523.

15. Желтов Г. И., Астафьева Л. Г., Карстен А. Лазерное блокирование кровотока: физическая модель. 2. Режим импульсной модуляции излучения // Оптика и спектроскопия. - 2007. - Т. 102. - № 3. - С. 524-526.