МАТРИЧНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ АКНЕ
MATRIX LASER RADIATOR FOR ACNE TREATMENT

Изобретение относится к медицине, а именно к дерматологии, косметологии, и может быть использовано для лечения угревой болезни (акне).
Известен аппарат для светотерапии, содержащий группы излучателей монохроматического красного и инфракрасного излучений, образующих последовательно-параллельную матрицу излучающих диодов, подключенную к источнику питания через блок управления параметрами излучения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены излучатели монохроматического синего света, а блок управления снабжен переключателем, подключающим к блоку питания попарно группы красных и инфракрасных или синих и инфракрасных излучающих диодов [Пат. 37636, опубл. 10.05.2004].
Известно устройство для светотерапии, состоящее из источника питания и элемента воздействия, включающего корпус в форме цилиндра и световой излучатель, выполненный в виде одного отрезка светодиодной ленты FW-5050-60RW, который в виде спирали закреплен на внутренней поверхности корпуса, длина отрезка L=M⋅50 мм (где М=50…100) и содержит Р=3М светодиодных корпусов типа SMD, каждый из которых содержит кристаллы трех цветов - красного с длиной волны 640 нм, зеленого с длиной волны 530 нм и синего с длиной волны 450 нм, цепи питания отрезка посредством контроллера подключены к выходным клеммам источника питания [Пат. 157529, опубл. 10.12.2015].
Недостатком обоих устройств является отсутствие лазерного когерентного излучения, отсутствие длины волны фиолетового диапазона и возможности формирования оптимального светового потока из-за большого угла рассеяния в диаграмме направленности светодиодов. Отсутствие возможности формирования спекл-структуры и отсутствие бактерицидных свойств излучения аналогов снижает эффективность лечения любой кожной патологии, включая акне.
Наиболее близким к предлагаемому является матричный лазерный излучатель для физиотерапевтического аппарата, содержащий лазерные диоды, расположенные в одной плоскости в два ряда, импульсный блок питания, выполненный с возможностью регулирования амплитуды напряжения и контроллер, выполненный с возможностью формирования многочастотной модуляции лазерного излучения и задания одновременно трех частот повторения импульсов, из них базовая частота повторения импульсов имеет величину 10000 Гц, а две частоты дополнительной модуляции имеют величины 1000 Гц и 1333 Гц. При этом используемые лазерные диоды имеют длину волны 904 нм и 635 нм, а импульсный блок питания формирует импульсы длительностью от 7 до 200 нс [Пат. 2539535, опубл. 20.01.2015].
Недостатками данного устройства являются рядное линейное расположение лазерных диодов, отсутствие таких диодов фиолетового диапазона длин волн, отсутствие условий, ограничивающих взаиморасположение диодов относительно друг друга, а также конструктивных элементов для создания спекл-структурированного лазерного воздействия как наиболее биологически активного. Перечисленные недостатки ограничивают применение устройства-прототипа при лечении акне, а также язв и хирургических ран, заживление которых связано с бактериальной обсемененностью тканей.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является повышение эффективности лазерного физиотерапевтического и микробиологического воздействия при лечении кожных заболеваний и, в частности, акне.
Технический результат заключается в оптимизации лазерного воздействия за счет определенного взаиморасположения лазеров красного или инфракрасного и фиолетового диапазонов длин волн с учетом их диаграмм направленности и создания спекл-структурированного поля с высокой степенью эргодичности и контрастности.
i
i
Для решения поставленной задачи в матричном лазерном излучателе для лечения акне, содержащем лазерные диоды, расположенные в одной плоскости и излучающие красный (630-660 нм) и/или инфракрасный (800-1300 нм) диапазоны длин волн, лазерные диоды расположены по концентрическим окружностям, при этом лазеры красного или инфракрасного диапазона длин волн в каждой окружности чередуются с лазерами фиолетового (405 нм) диапазона с расположением в центре по меньшей мере одного фиолетового лазера, при этом расстояние L между соседними лазерами, расположенными на дуге окружности, связано с соответствующим радиусом R окружности соотношением:
i
i
i ,
0,4R≤L≤0,8R
где i - порядковый номер окружности расположения лазеров в направлении от центра круга к периферии.
Для повышения терапевтического эффекта на расстоянии D от плоскости лазерных диодов установлено полупрозрачное окно с шероховатой поверхностью, при этом:
1
1.
3R≥D≥2R
Расположение лазерных диодов по окружности с чередованием красного (инфракрасного) и фиолетового диапазонов позволяет организовать однородную по плотности мощности зону облучения на пораженной поверхности кожи. Поскольку наиболее актуальной зоной поражения при акне чаще всего оказывается кожа лица, круговая зона проекции светового пятна наилучшим образом соответствует анатомическим особенностям его строения.
Кроме того, спекл-структура, полученная в результате когерентной суперпозиции ряда излучений, также выглядит достаточно неоднородной и случайной. Эргодичность и контрастность спекл-поля, особенно усиливается после прохождения данной суперпозиции через полупрозрачную шероховатую пластину (рассеиватель).
Однако и при отсутствии рассеивателя наблюдается выраженный терапевтический эффект. Связано это с тем, что современный биофизический подход рассматривает лазерное излучения как воздействие его неоднородной структуры через верхний кожный покров ткани живого организма. Любая изначально однородная структура лазерного пучка рассеивается на биологических тканях и неизбежно трансформируется в спекл-структуру. Эта структура характеризуется наличием пространственного перепада мощности излучения (зернистость) на расстояниях, сравнимых с размерами клетки. В спекл-поле градиент плотности мощности на три порядка больше, чем для некогерентного излучения, что вызывает возникновение локальных электрических полей (эффект Дембера) и обусловливает мощный стимулирующий эффект [Попов А.Ю., Попова Н.А., Тюрин А.В. Физическая модель воздействия лазерного излучения на биологические объекты / Оптика и спектроскопия, 2007; 103 (3) Ж; 502-508].
Использование лазеров фиолетового диапазона (405 нм) в круговой последовательности лазеров и расположение такого лазера в центре круга обусловлено необходимостью доминирующего присутствия фиолетового излучения в спектре частот при лечении акне. Специальными микробиологическими экспериментами доказано, что излучение с длиной волны 405 нм подавляет рост бактерий (Propionibacterium acnes), вызывающих это заболевание [Галкина Е.М., Райгородский Ю.М. Фотоинактивация P. acnes лазерным излучением фиолетового и красного диапазонов длин волн в терапии угревой болезни / Физиотерапия, бальнеология, реабилитация, 2015, №6, с. 13-16].
В другом экспериментальном исследовании показана существенно более высокая подавляющая активность когерентного (лазерного) излучения длины волны 405 нм по сравнению с некогерентным (светодиод) той же длины волны на бактерии полости рта [Лепилин А.В., Райгородский Ю.М., Григорьева Д.А. и др. Сравнительное исследование бактерицидных свойств лазерного и светодиодного излучений фиолетовой области (405 нм) спектра на бактерии полости рта / Физиотерапия, бальнеология, реабилитация, 2016; 15 (4), с. 202-205]. Это является дополнительным обоснованием использования лазеров с длиной волны 405 нм в конструкции заявленного устройства.
i
i
i
Заявленное соотношение между радиусом R окружности, на которой установлены лазеры, и угловым расстоянием L между соседними лазерами (0,4R≤L≤0,8R) справедливо как для однокольцевого расположения лазеров (фиг. 1), так и многокольцевого (фиг. 2) и обосновано, с одной стороны, оптимальным перекрытием диаграмм направленности соседних лазеров, а с другой, расстоянием между головкой-облучателем и облучаемой поверхностью кожи, при котором формируется зона нужного диаметра при достаточной плотности мощности облучения.
При лечении акне с наиболее частым поражением области лица важно, чтобы зона облучения захватывала щечно-подбородочную область.
2
Для этого требуется "пятно" с равномерной спекл-структурой диаметром 70-80 мм для среднестатистического размера лица. С другой стороны, микробиологические эксперименты по инактивации возбудителя Р. acnes показали, что положительный результат в течение 5-7 мин (максимальное время облучения лазером одной и той же зоны) наблюдается при плотности мощности 30-40 мВт/см.
2
i
i
i
i
i
i
При использовании фиолетовых лазеров в заявленном устройстве с выходной мощностью 200 мВт и красных - 30 мВт равномерное распределение плотности мощности в "пятне" диаметром 70-80 мм на уровне 30-40 мВт/см наблюдается при заявленном соотношении между параметрами L и R. При L/R<0,4 плотность мощности возрастает в центре "пятна" и падает на его периферии, при этом центр "пятна" может вызвать ожог у пациента. Если L/R>0,8 в "пятне" наблюдаются провалы плотности мощности, эффективность лечения снижается.
i
i
Важно отметить, что заявленное соотношение между L и R позволяет получить равномерное спекл-поле на облучаемом участке нужного диаметра при расстоянии между головкой-облучателем и облучаемой поверхностью 70-90 мм. При указанной мощности лазеров на этом расстоянии тепловой эффект едва ощутим, а использование более мощных лазеров (для сокращения времени процедуры) не вызовет неприятных ощущений у пациента.
Введение в конструкцию матричного лазерного излучателя полупрозрачного окна с шероховатой поверхностью позволяет получить спекл-структуру на поверхности кожи более равномерную со случайным (эргодичным) распределением световых микропятен. Такое спекл-поле биологически более активно и позволяет реализовать более выраженный терапевтический эффект.
1
1
1
Расстояние D между плоскостью лазерных диодов и полупрозрачным окном связано с радиусом расположения лазеров первого кольца R соотношением 3R≥D≥2R. Оно вытекает из геометрии диаграмм направленности диаметрально расположенных лазерных диодов (фиг. 3). При двухкольцевой конструкции данное соотношение не меняется, так как диаграммы направленности диодов второго кольца сближаются между собой, и их наложение происходит до прохождения через окно-рассеиватель. При выборе положения окна важно попасть в зону сходимости диодов фиолетового диапазона, как базовых, в данном устройстве. Диоды красного (инфракрасного) диапазона играют вспомогательную роль в лечении, улучшая микроциркуляцию в зоне поражения, процессы репарации и препятствуют образованию грубого рубца.
В результате интерференции двух независимых реализаций спекл-поля статистические характеристики суммарного поля изменяются. В интерференционном поле уменьшается средний размер спеклов, поскольку любое спекл-поле характеризуется не только случайным распределением интенсивности, но и хаотическим распределением фазы. При наложении двух излучений в интерференционной картине начинает проявляться фазовая структура спекл-полей, что ведет к уменьшению размера зернистости в результирующем поле [Франсон М. Оптика спеклов. М.: Наука, 1980, 171 с].
1
Помимо улучшения структуры спекл-поля, излучение лазеров красного или инфракрасного диапазонов проникает в более глубокие слои кожи, способствует разрешению воспаления, лимфогистиоцитарных инфильтратов и угнетению себосекреторной функции сальной железы [Голдберг Дж. Лазеро- и светолечение. 2010, т. 1, 172 с.]. При увеличении расстояния D>3R нарушаются не только фазовые соотношения в суперпозиции волн и ухудшается качество спекл-поля, но увеличиваются габариты устройства.
Конструкция заявленного устройства поясняется на фиг. 1-3. На фиг. 1 показан однокольцевой матричный лазерный излучатель с фиолетовым лазером в центре. На фиг. 2 - двухкольцевой. В обоих случаях дана фронтальная проекция головки-облучателя. Количество концентрических колец может быть и более двух, однако практического смысла это не имеет, т.к. ведет к избыточному удорожанию устройства и увеличению габаритов головки-облучателя, необходимости отвода тепла.
Устройство работает следующим образом.
При поступлении напряжения через стабилизатор тока и соответствующее коммутирующее устройство (не показано) включается набор лазерных диодов либо фиолетового 1, либо красного (инфракрасного) 2 диапазонов длин волн, либо тех и других одновременно в зависимости от команды коммутатора. После подачи напряжения на драйверы соответствующих лазеров начинается излучение, интенсивность которого определяется регулировкой тока в драйвере каждого лазерного диода. Максимальные значения тока определяются характеристиками самого лазерного диода. Для питания лазеров фиолетового и красного диапазонов использовано непрерывное питание, и характер излучения этих лазеров непрерывный. Для питания инфракрасных лазеров чаще используется импульсное питание, которое позволяет получать более высокую мощность на выходе и более высокую глубину проникновения в ткани.
2
В реальном устройстве электронный блок укомплектован двумя головками-облучателями с однокольцевым расположением лазерных диодов (фиг. 1). При этом в одной из головок лазеры 1 фиолетового диапазона марки 405 NM 200 mW чередуются с лазерами 2 красного диапазона LD653051A, а в другой - с лазерами инфракрасного диапазона SPL PL-90, импульсной мощностью 25 Вт (средняя 4-6 мВт). Дополнительно в обеих головках в центре расположен лазер фиолетового диапазона. Диаметр рабочей поверхности каждой из двух излучающих головок - 35 мм. Подложка с лазерами расположена в углублении дюралевого цилиндра 3 с наружным диаметром 50 мм (фиг. 3). На расстоянии D от поверхности лазерных диодов 1 расположена полупрозрачная стеклянная пластина 4 с шероховатой наружной поверхностью (величина микронеровностей 3-5 мкм). Расстояние D выбрано с учетом схождения диаграмм направленности 5 и формирования нужного размера зоны облучения 6 не менее 70 мм. При этом уровень плотности мощности на облучаемой поверхности лица или другой поверхности тела соответствует 30-40 мВт/см. Если зона облучения 6 не захватывает те или иные угревые элементы 7, то по истечении времени экспозиции зона 6 может быть смещена и процедура продолжена на новом участке кожи.
Клиническое обоснование возможности и эффективности применения заявляемого устройства проводилось в клинике кожных болезней Саратовского государственного медицинского университета им В.И. Разумовского в рамках официальных клинических испытаний (Разрешение Росздравнадзора на проведение клинических испытаний нового образца медицинской техники №537/2016 от 22.06.2016). Были отобраны 34 пациента обоих полов с легкой и средней тяжестью акне кожи лица в возрасте от 18 до 30 лет, не принимавших системных антибиотиков, ретиноидов, стероидов или оральных контрацептивов.
Оценка распространенности и тяжести патологического процесса у больных акне проводилась с использованием in vivo флуоресцентной диагностики.
О количественном составе микрофлоры у больных с акне судили по изменению уровня флюоресценции на изучаемом участке кожного покрова [Sfng Woong Youn, Jun Hyung Kim, et all Nhe facial red fluorescence of ultraviolet photography is this color due to Propionibacterium acnes or the unknown content of secreted sebum // Skin Research and Technology, 2009, №15, p. 230-236]. Обработка полученных изображений проводилась в программе Image J. (http//rsb.info/nih.gov/ij/index.html).
Определялся порог бинаризации синтезированных изображений для установления площади флуоресцентного свечения и соответственно площади поражения.
Фототерапия по схеме (фиг. 3) проводилась в течение 8 недель в варианте пульс-терапии. Использовался режим - три курса лечения по 10 сеансов каждый с интервалом между курсами - 10-12 дней. Экспозиция при облучении каждой области высыпаний устанавливалась - 5 минут. Расстояние от облучаемой поверхности до излучателя составляло 7-9 см.
Для оценки эффективности предлагаемого устройства пациенты были разделены на две группы: 1-я (n=24) получала комбинированное воздействие фиолетовым (405 нм) и красным (650 нм) лазерами, 2-я группа (n=15) получала воздействие только красными лазерами (при выключенных фиолетовых). Другая терапия не применялась.
В ходе проводимого лечения в первой группе наблюдался регресс флюоресценции порфиринов. При этом на 4-й неделе (1 курс облучения) интенсивность флюоресценции снизилась на 40% у 19 пациентов (79,2%), у 5 пациентов ее уровень остался прежним. В группе 2 снижение наблюдалось на 12% у 6 пациентов (40%). Выраженное покраснение и отек папулезных и пустулезных элементов по окончании лечения в 1-й группе уменьшились, отек исчез у 20 пациентов (83,3%), краснота приобрела бледно-розовый оттенок. Во 2-й группе краснота и отечность уменьшились по истечении 8 недель у 8 пациентов (53,3%).
Использование лазеров инфракрасного диапазона в комбинации с фиолетовыми проводилось при лечении акне тяжелой степени (конглобатные угри) с глубоким подкожным поражением. Диапазон лазерного излучения с длиной волны 905 нм позволяет глубже проникать в ткани.
Положительный результат лечения акне тяжелой степени путем комбинации инфракрасного и фиолетового лазерного излучения составил 58,4%. В группе сравнения (только инфракрасное облучение) - 36,2%
Данные результаты свидетельствуют о необходимости использования в лечении акне лазеров как красного (инфракрасного), так и фиолетового диапазонов. При этом фиолетовый диапазон оказывает подавляющее действие на возбудитель заболевания (P. acnes), а красный (инфракрасный) усиливает гемодинамические реакции и метаболизм в зоне поражения, предотвращая образование грубого рубца и препятствуя рецидивирующему характеру течения заболевания.