К вопросу оптимизации характеристик излучения, применяемого в фотохромотерапии

К ВОПРОСУ ОПТИМИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО В ФОТОХРОМОТЕРАПИИ

А.Б. Веселовский, А.С. Митрофанов, Г.Д. Фефилов

Отечественный и зарубежный клинический материал, накопленный за последние десятилетия, свидетельствует о достаточно высокой лечебной эффективности низкоинтенсивной фототерапии.

Под низкоинтенсивным излучением понимается излучение в оптическом диапазоне, во время воздействия которого в живой ткани не происходит фиксируемых температурных изменений. Как правило, используют мощности до 100 мВт и облученность до 100-400 мВт/см2, а дозы занимают весьма широкий интервал от 0,1 до 120 Дж/см2.

Для обеспечения избирательного и целенаправленного фотобиологического воздействия необходимо создать резонансные условия. Спектральный состав оптического излучения должен быть подобран таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективное, так называемое резонансное поглощение энергии молекулами сенсибилизатора. В биоткани существует большой набор естественных хромофоров-фотосенсибилизаторов, поглощающих в различных участках оптического спектра [15].

При этом возникает вопрос о "качестве" излучения фототерапевтической аппаратуры. Разработчику фототерапевтической аппаратуры необходимо ответить на вопросы, приведенные ниже.

Какие характеристики излучения являются важными в фототерапии? Надо ли использовать светофильтры и какие? Важны ли при облучении биоткани именно лазерные характеристики, такие как расходимость излучения, когерентность, поляризованность? Существует ли различие в инициировании биохимической реакции при воздействии на биоткань лазерных лучей и обычных лучей света при одинаковых уровнях плотности мощности облучения?

Полосы поглощения в биологических тканях вследствие переналожения спектров поглощения отдельных компонент относительно широки: ДА, « 20 нм, поэтому применение сверхузкополосных лазерных источников излучения с шириной полосы излучения (10-2 нм) не является крайне необходимым.

Из-за сильного рассеяния света биотканями теряет свое значение направленность луча света; пространственная когерентность лазерного излучения также разрушается после его прохождения через несколько слоев биоткани.

Причиной рассеяния являются оптические неоднородности, которые бывают различными по форме и физической природе. Среды с явно выраженными оптическими неоднородностями носят название мутных сред. В оптическом диапазоне спектра биоткань является ярко выраженной мутной средой. Характер рассеяния света в первую очередь зависит от соотношения между длиной волны и размеров рассеивающих частиц. Если линейные размеры рассеивающих частиц меньше 1/15 длины световой волны, то рассеяние называют рэлеевским (рассеяние Рэлея); при больших размерах частиц, соизмеримых с длиной волны, рассеяние называют рассеянием Ми.

При рэлеевском рассеянии направленность исходного излучения практически полностью нарушается, при рассеянии Ми направленность распространения излучения в значительной мере сохраняется, однако коллимированный луч превращается в конус рассеянного света.

Проникающие в вещество лучи частично отражаются, поглощаются, рассеиваются и пропускаются веществом.

Распространение света в биоткани определяется в большей степени процессом рассеяния, чем поглощением. Отмечается, что в случае использования широкого пучка

света увеличивается глубина проникновения излучения в биоткань по сравнению с узким пучком.

Анализ изложенного материала показывает, что для применения в фотерапевтической практике предпочтительны широкие монохромные пучки некогерентного излучения с шириной спектра излучения 1-10 нм [15]. К таким источникам излучения можно отнести газоразрядные лампы с добавками паров металлов и линейчатым спектром излучения, газоразрядные ультрафиолетовые лампы с нанесенным на их оболочку узкополосным люминофорным покрытием, светодиодные источники излучения, лампы накаливания со светофильтрами и лазерные источники излучения; без каких-либо требований к узкополосности излучения, когерентности и направленности излучения. К таким лазерам относятся, прежде всего, полупроводниковые и газоразрядные лазеры. В настоящее время именно эти лазерные источники широко применяются в фототерапии. Спектр излучения светодиодов достаточно узкий и может составлять от 10 до 50 нм.

Приведем данные ряда авторов по вопросу об особенностях поведения когерентного и поляризованного излучения в биотканях человека и о возможной роли когерентности и поляризованности излучения в эффективности фотохромотерапии.

Как отмечают многие авторы, вопрос о роли когерентности и поляризации излучения, применяемого в низкоинтенсивной фотохромотерапии, основательно не исследован и является дискуссионным. Отсутствие результатов основательного исследования этого вопроса не позволяет однозначно сформулировать требования к аппаратуре для фотохромотерапии, а также может являться фактором спекуляции, основанном на отсутствии строгих научных данных, способных опровергнуть или подтвердить необоснованные утверждения. Все это заставляет вновь привлечь внимание исследователей к этой проблеме.

Приведем данные ряда публикаций, касающихся роли когерентности и поляризации излучения при воздействии на биологические ткани человека.

В работах [1-3] отмечается, что когерентность лазерного излучения и его поляризация при попадании на кожу сохраняются только на глубине 200-300 мкм, а далее на глубину до 2 см (для длины волны излучения 0,63 мкм) распространяется уже некогерентный и почти неполяризованный, но монохроматический свет, поскольку имеет место взаимодействие с мутной средой. На глубине, равной трем оптическим толщинам ткани, коллимированный лазерный пучок дает сферически симметричное, близкое к изотропному, излучение.

В работе [4] авторы отмечают, что часто эффективность красного лазерного света связывают с его когерентностью или высокой поляризованностью. Однако эти аргументы представляются им несостоятельными только по той причине, что при используемых интенсивностях скорость возбуждения молекул оказывается в 1010 раз более медленной, чем скорость релаксации возбужденных молекул (скорость потери когерентности) в конденсированной среде при нормальной температуре. Авторы отмечают также в подтверждение этого положения, что терапевтический эффект наблюдается и с нелазерными источниками света в диапазоне 400-850 нм.

Авторы работы [5] отмечают, что имеются определенные различия в действии лазерного излучения на поверхностные слои достаточного по своим размерам биологического объекта и на глубоко расположенные его части, органы. Проникая через кожу и другие ткани, лазерное излучение, видимо, может изменять свои физические свойства. В.С. Синяков и соавторы (1983) при изучении изменений поляризации и когерентности лазерного излучения показали, что при прохождении через образцы (кожу, кость, скелетную мышцу, печень, мозг крысы) толщиной 200 мкм лазерный луч (длина волны 0,63 мкм) не сохраняет когерентности и поляризованности. Следовательно, проникающее вглубь организма излучение от лазерного источника

действует наподобие обычного неполяризованного и некогерентного света в соответствующей спектральной области.

В работе [6] отмечается, что проблема низкоинтенсивной лазерной терапии - это огромный разрыв между уровнем теоретического осмысления механизмов лазерного воздействия и широтой практического применения, и что до настоящего времени не только отсутствует единая теория низкоинтенсивной лазерной терапии, но и спорно утверждение о биофизической специфике, присущей только лазерным источникам света.

Автор работы [7] отмечает: что касается основной отличительной характеристики лазерного излучения - когерентности, то ее роль во влиянии на биопроцессы остается, мягко говоря, недоказанной.

В работе [8] отмечаются следующие моменты:

• как рассеивающая среда биоткань приближается по оптическим свойствам к густому туману. Изотропное рассеяние устанавливается для большинства тканей на расстояниях нескольких миллиметров, а для некоторых и на долях миллиметров;

• длина когерентности составляет величину порядка микрона для видимого света и порядка миллиметра - для красной и инфракрасной областей;

• характер взаимодействия между светом и молекулой не зависит от их пространственной ориентации в поле облучения;

• поляризация пучка уменьшается в 2 раза на расстояниях от 0,1 до 4 мм;

• лазерные характеристики - высокая когерентность, поляризация и малая ширина спектральной линии - теряются на расстоянии нескольких миллиметров, за исключением прозрачных сред глаза.

В работе [9, 10] отмечается, что экспериментальные исследования не выявили существенного различия в воздействии на клетки крови низкоинтенсивного излучения гелий-неонового лазера и некогерентного светодиодного излучения той же спектральной области.

В подробном обзоре физико-химических механизмов биологического действия лазерного излучения [11] отмечается, что вопрос об исключительной роли когерентности, поляризованности и монохроматичности в проявлении биологического действия лазерного излучения требует дальнейшего изучения.

Автор работы [12] утверждает, что специфическое воздействие лазерного излучения не связано с пространственной или временной когерентностью.

Прежде чем анализировать приведенные данные, отметим, что глубина, на которой еще сохраняется когерентность и поляризация исходного излучения, в сильной степени зависит от степени когерентности и поляризованности исходного излучения. Приведенные данные по глубине, на которой еще сохраняется когерентность и поляризованность, в основном, касаются излучения гелий-неонового лазера, обладающего высокой степенью когерентности и поляризованности излучения, и, следовательно, их можно считать близкими к максимально возможным. Так, длина когерентности одномодового гелий-неонового лазера может составлять десятки метров, а наиболее часто применяемого в низкоинтенсивной терапии многомодового лазера -десятки сантиметров [13], а степень поляризации излучения очень близка к единице.

Однако наблюдаемый нами переход к широкому использованию в медицинской практике полупроводниковых лазеров, значительное снижение использования гелий-неоновых лазеров в аппаратах для низкоинтенсивной светотерапии означает сильное снижение как степени когерентности излучения (для одночастотного полупроводникового лазера длина когерентности составляет несколько метров, а для наиболее часто применяемых в медицине многомодовых полупроводниковых лазеров -около 8 мм [13]), так и степени его поляризации. Это, в свою очередь, означает значительно меньшую по сравнению с приведенными данными для гелий-неонового

лазера толщину биологических тканей, на которой сохраняются когерентные и поляризационные свойства. Однако, как утверждают многие авторы (медики) и производители, с точки зрения клинических эффектов замена гелий-неоновых лазеров на полупроводниковые обеспечивает адекватные клинические эффекты и не меньшую эффективность.

Указанные факты ставят под сомнение вопрос значительного влияния когерентности и поляризованности излучения на эффективность низкоинтенсивной светотерапии. Однако разрешить эти сомнения могут только целенаправленные строгие клинические и научные исследования по выявлению роли когерентности и поляризованности излучения в низкоинтенсивной светотерапии.

Таким образом, если базироваться на приведенных данных, в результате их анализа можно сделать следующие заключения:

• специфика лазерного излучения, заключающаяся в высокой степени когерентности и поляризации по отношению к некогерентным источникам, может проявляться только в поверхностных слоях, поскольку когерентность и поляризованность быстро разрушаются при распространении излучения в такой мутной среде, как биоткань человека;

• в связи с этим можно предположить, что если когерентность и поляризованность и играют заметную роль в результате взаимодействия излучения и биоткани, то это прежде всего должно быть заметно при лечении патологий, касающихся поверхностных слоев, например, кожных заболеваний, а также патологий, лечение которых может осуществляться путем воздействия на поверхностные слои биоткани (например, рефлексогенные зоны и биологически активные точки), что требует дополнительных исследований и более строгого сравнения с воздействием некогерентных источников;

• специфика воздействия лазерного когерентного поляризованного излучения на более глубоко расположенные органы и ткани весьма сомнительна;

• указанные факты позволяют расширять практику применения в низкоинтенсивной фотохромотерапии нелазерных источников, в том числе современных полупроводниковых светодиодов, значительно усовершенствованных в последнее время, и дают возможность многим авторам, например [7, 9], утверждать, что использование фототерапевтической аппаратуры с высокоэффективными светоизлучающими диодами позволит решить большое число задач практической медицины.

Подтверждением этих выводов является, в частности, серия физиотерапевтических аппаратов для фотохромотерапии "Спектр ЛЦ" [14], широко использующих, наряду с лазерными излучателями, светодиодные инструменты в виде матриц для облучения значительных участков поверхности тела и светодиодных ,карандашей" для локального облучения точек акупунктуры. Светодиодный инструмент позволяет использовать как бесконтактное, так и контактное облучение, эффект Аскарьяна, производить одновременно массаж и акупрессуру. Многолетняя медицинская практика подтвердила высокую эффективность, надежность, перспективность и низкую стоимость светодиодных инструментов.

Однако, несмотря на то, что приведенные выше сведения многих авторов говорят о минимальной роли когерентности и поляризованности в эффективности фототерапии, есть ряд работ, утверждающих обратное - в частности, утверждения фирмы Цептер об эффективности применения поляризованного излучения, а также работы, где утверждается, что на глубине до нескольких миллиметров в случае применения когерентного излучения сохраняется спекл-структура, которая может влиять на характер процессов взаимодействия излучения и ткани.

Авторы книги [15] отмечают, что проблема воздействия поляризованным (в

частности, поляризованным по кругу) излучением на биоткань ждет еще своих

исследователей.

Литература

1. Кару Т.И., Календо Г.С., Лобко В.В. Зависимость биологического действия низкоинтенсивного видимого света на клетки от параметров излучения, когерентности, дозы и длины волны // Изв. АНСССР. Сер. физич. 1983. Т.47. №10. С.2017-2022.

2. Лазерная и магнитолазерная терапия: обзорная информация // Медицина и здравоохранение. Серия: обзоры по важнейшим проблемам медицины. М., 1985, № 3, 66 с.

3. Кару Т.И. Регуляция клеточного метаболизма низкоинтенсивным лазерным светом // Методы лазерной биофизики и их применение в медицине. Тарту, 1989, С.15-22.

4. Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1989. С.27.

5. Козлов В.И., Буйлин В.А., Самойлов Н.Г., Марков И.И. Основы лазерной физио-и рефлексотерапии. Самарский медицинский университет. Самара-Киев: Издательство "Здоровя", 1993. С.12-13.

6. Антонов С.Н. Проблемы низкоинтенсивной лазерной терапии и новые тенденции в развитии аппаратуры // LASER MARKET. 1994. №3. С.16-17.

7. Вилисов А.А. Светодиоды как альтернатива лазерам // LASER MARKET. 1994. №5. С. 20-21.

8. Соклаков А.И. Проблемы дозиметрии лазерного излучения в медицине и биологии // LASER MARKET. 1993. №6. С.14-15.

9. Палеев Н.Р., Карандашов В.И., Кочан Л.М., Зродников В.С., Петухов Е.Б. Использование высокоэффективных полупроводниковых излучающих диодов в фототерапевтической аппаратуре // LASER MARKET. 1995. (2-3).

10. Плужников М. С., Петрищев Н. Н. и др. Труды международной конференции "Перспективные направления лазерной медицины", Одесса, 1992, С.520.

11. Девятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.Б., Макеева Н.С. // Успехи физических наук. 1987. Т.103. Вып. 1. С.31-43.

12. Загускин С.Л. Хронобиологический механизм действия лазерного излучения // LASER MARKET. 1994. № 4. С.20-21.

13. Тучин В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. С.114.

14. Веселовский А.Б., Кирьянова В.В., Митрофанов А.С., Петрищев Н.Н., Фефилов Г. Д., Янтарева Л.И. Тенденции развития, разработка и исследование физиотерапевтической аппаратуры для фотохромотерапии // Оптические и лазерные технологии: Сборник статей / Под ред. В.Н. Васильева. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. С.149-164.

15. Карандашов В.И., Петухов Е.Б., Зродников В.С. Фототерапия (светолечение): Руководство для врачей / Под ред. Н.Р.Палеева. М.: Медицина, 2001. 392 с.

16. Полонский А. К. Лазерная и магнитолазерная терапия - достижения, проблемы и перспективы развития // LASER MARKET. 1995. (2-3). С.13-18.