 |
Современные источники излучения и аппаратура для лазерной терапии
|
|
|
|
У незапямятных времен Солнце воспринималось как источник света, тепла и жизни. Использование естественного света в лечебных целях вероятно также старо, как само человечество. Солнечный свет и вода всегда были для человека максимально близкими и доступными лечебными средствами. Дошедшее до нас первое упоминание об осознанном использовании солнечных лучей в профилактических и лечебных целях относится к временам правления в Египте фараона Аменхотепа IV (предположительно с 1375 по 1358 годы до н.э.).
5) целебных свойствах Солнца есть сообщения в трудах: Геродота, Гиппократа, Аулия Корнелия Цельса, Клавдия Галена, Абу Али ибн Сины и др. Можно сказать, что Солнце -
181
первый источник излучения в фототерапии, который имеет широкий спектральный диапазон, нестабильную мощность излучения, нестабильную степень поляризации.
конце прошлого века появились искусственные источники света, которые имели более узкий спектральный диапазон, стабильную мощность излучения, благодаря чему получили значительно более выраженный и устойчивый лечебный эффект, чем при солнцелечении. К тому же стало возможным проведение исследований явлений фотобиоактивации с появлением более контролируемого средства воздействия. В первую очередь успехи светолечения связывают с именем датского физиотерапевта Нильса Рюберга Финсена (N.R.Finsen, 1860-1904), предложившего концентрировать солнечные лучи, одновременно исключая видимую и инфракрасную части спектра для лечения туберкулеза кожи (волчанки), а также лечить кожную оспу красным светом. В 1903 г. за разработку нового метода лечения ему была присуждена Нобелевская премия в области медицины [10].
|
|
|
Вторая половина XX столетия ознаменовалась появлением лазеров - источников света с новыми свойствами, такими, как: монохроматичность, когерентность, поляризованность и направленность. Этот факт не прошел незамеченным, и в середине 60-х годов началось изучение фотобиоэффектов, вызванных низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ). Одним из первых был вопрос о сопоставлении монохроматичного излучения He-Ne лазера и широкополосного света красной лампы. В.М.Инюшин [6, 7] и другие исследователи убедительно показали преимущества лазерного излучения как средства терапевтического воздействия, что во многом и определило дальнейшее развитие низкоинтенсивной лазерной терапии, как самостоятельного направления физиотерапии.
Ниже приводится классификация лазеров по различным параметрам.
1. Физическое (агрегатное) состояние рабочего вещества лазера:
5. газовые (гелий-неоновые, гелий-кадмиевые, аргоновые, углекислотные и др.);
6. эксимерные (аргон-фторовые, криптон-фторовые и др.);
7. твердотельные (стекло, алюмоитриевый гранат и др., легированные различными ионами);
8. жидкостные (органические красители);
9. полупроводниковые (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид-галлиевые, селенид- свинцовые и др.).
2. Способ возбуждения рабочего вещества.
оптическая накачка;
накачка за счет газового разряда;
электронное возбуждение;
инжекция носителей заряда;
тепловая;
химическая реакция;
другие.
6. Длина волны излучения лазера:
Если спектр излучения сосредоточен в очень узком интервале длин волн (менее 3нм), то принято считать излучение монохроматичным и в его технических данных указывается конкретная длина волны, соответствующая максимуму спектральной линии. Длина волны излучения определяется материалом рабочего вещества, но может изменяться в небольших пределах, например, от температуры. Одинаковые длины волн могут генерировать разные типы лазеров, например, около l =633нм работают лазеры: He-Ne, лазеры на красителях, на парах золота, полупроводниковые (AlGaInP).
|
|
|
2. По характеру излучаемой энергии различают непрерывные и импульсные лазеры.
Не следует смешивать понятия импульсный лазер и лазер с модуляцией непрерывного излучения, поскольку во втором случае мы получаем по сути дела прерывистое излучение различной частоты и формы но с максимальной мощьностью не превышающей значение в непрерывном режиме или превышающей ее незначительно. Импульсные же лазеры обладают большой мощностью в импульсе, достигающей для некоторых типов 107 Вт и более, но длительность импульса чрезвычайно мала, а средняя мощность за период невелика.
и Очень важной является характеристика средней мощности лазеров:
182
в более 103 Вт - высокомощные лазеры;
в менее 10-1 Вт - лазеры малой мощности;
Промежуточные значения нас не очень интересуют с точки зрения рассматриваемого
материала. К лазерам для медицины нужно подходить с точки зрения оказываемого ими воздействия на биологический объект. В некоторых случаях "малая мощность" - 100 мВт может быть очень даже большой. В литературе по лазерной терапии предлагается низкоинтенсивное лазерное излучение условно подразделять на "мягкое" - до 4 мВт/см2, "среднее" - от 4 до 30 мВт/см2 и "жесткое" - более 30 мВт/см2. В лечебном процессе "мягкое" излучение используют для рефлексотерапии по точкам классической акупунктуры, "среднее" - для воздействия на поверхностно расположенные патологические очаги, либо на область проекции тех или иных органов. "Жесткое" низкоинтенсивное излучение, в частности, гелий-неонового лазера, рекомендуют использовать в стоматологии при лечении некоторых заболеваний полости рта и зубов. Однако открытым остается вопрос в отношении энергетической классификации терапевтических импульсных лазеров, который необходимо рассматривать комплексно с позиции биологического действия лазерного излучения, учитывая не только среднюю выходную мощность, но и уровень импульсной мощности, длительность импульса и время воздействия лазерного излучения.
|
|
|
По степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса:
Класс 1. Лазерные изделия безопасные при предполагаемых условиях эксплуатации.
Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания.
Класс 3А. Лазерные изделия безопасные для наблюдения незащищенным глазом. Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапозоне длин волн от 400 до 700 нм, защита обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания. Для других длин волн опасность для незащищенного глаза не больше чем для класса 1.
Непосредственное наблюдение пучка, испускаемого лазерными изделиями класса 3А с помощью оптических инструментов (например, бинокль, телескоп, микроскоп), может быть опасным.
Класс 3В. Непосредственно наблюдение таких лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно.
Примечание - Условия безопасного наблюдения диффузного отражения для лазерных изделий класса 3В в видимой области: минимальное расстояние для наблюдения между глазом и экраном - 13 см, максимальное время наблюдения - 10 с.
Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их использовании следует соблюдать особую осторожность.
Эта градация определена ГОСТ Р 50723-94 Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий [3].
Для осуществления лечебного процесса часто важной является такая характеристика лазера, как угловая расходимость луча. Измеряется в градусах, угловых минутах (1/60 градуса), угловых секундах (1/60 минуты) или радианах (1° = p /180 > 0,0175 рад). Наименьшую расходимость имеют газовые лазеры - около 30 угловых секунд (> 0,15 мрад). Расходимость луча твердотельных лазеров - около 30 угловых минут (> 10 мрад). у полупроводниковых лазеров: в плоскости, параллельной p-n - перехода - от 10 до 20 градусов (в зависимости от типа лазера); в плоскости, перпендикулярной p-n - переходу - около 40 градусов.
|
|
|
Коэффициент полезного действия (КПД) лазера. Различают теоретически возможный (квантовый выход) и реальный (полный) КПД. Последний определяется отношением мощности излучения лазера к мощности, потребляемой от источника накачки. У газовых лазеров полный КПД составляет 1-20% (гелий-неоновый - до 1%, углекислотный 10-20%,), у твердотельных - 1-6%, у полупроводниковых - 10-50% (в отдельных конструкциях до 95%). Становится ясно, почему только полупроводниковые лазеры можно применять в автономной
В портативной терапевтической аппаратуре.
183
Газовые лазеры многообразны по типу применяемой среды: He-Ne, СO, CO2, N, Ar и другие. Этим определяется очень широкий диапазон длин волн, на которых получена генерация. Накачка осуществляется путем создания тлеющего разряда в трубке, что возможно лишь при очень высоких питающих напряжениях. Из всех типов лазеров обладают самой минимальной шириной спектральной линии - до 10-7 нм.
Эксимерные лазеры являются разновидностью газовых лазеров, работают на соединениях, которые могут существовать только в возбужденном состоянии - галогенов и инертных газов (KrF, ArF и др.). Излучают в ультрафиолетовой области спектра.
Твердотельные лазеры - это в основном алюмоитриевый гранат (АИГ), легированный ионами редкоземельных металлов (Nd, Er, Ho и др.). Собственно, эти ионы и являются источником излучения, а гранат лишь матрицей для их правильного расположения в пространстве. Твердотельные лазеры могут быть как импульсными так и непрерывными, работают на среднем уровне мощностей.
Лазеры на красителях (в качестве рабочего тела используется жидкий раствор специальных красителей) характеризуются тем, что могут перестраиваться по длине волны в широком спектральном диапазоне.
Полупроводниковые лазеры (ППЛ) занимают особое место в силу своих конструктивных особенностей и физических принципов работы. Небольшие размеры лазера определяются высоким КПД и необходимостью обеспечения высокой плотности тока накачки для достижения инверсной заселенности. У полупроводниковых лазеров накачка осуществляется небольшим током (десятки мА) при приложении напряжения около 2 - 3 В, тогда как у других типов лазеров требуются тысячи вольт. Необходимо заметить, что мы имеем ввиду исключительно инжекционные полупроводниковые лазеры, накачиваемые прямым током, проходящим через диодную структуру (laser diode). Недостатком ППЛ является большая расходимость излучения, что ограничивает его применение в других областях, кроме лазерной терапии. ППЛ работают в диапазоне длин волн от 0,63 до 15 мкм. Самое широкое распространение, как в терапии, так и в хирургии получили лазеры в ближней инфракрасной (ИК) области (l =0,78-0,93 мкм) на основе кристалла Ga1-xAlxAs. В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазеры на основе AlGaInP (l =0,633-0,64мкм), заменяющие традиционные He-Ne. Лазеры с длиной волны 0,67 мкм и средней мощностью до 10 Вт применяются также успешно и для фотодинамической терапии (ФДТ). Сообщается о начале производства зеленых (l =0,53мкм) и голубых (l =0,42мкм) полупроводниковых лазеров на основе Zn1-xCdxSe, мощностью несколько милливатт и наработкой на отказ до 1000 часов [18]. Аппараты, применяемые в медицине, кроме самих лазеров содержат также: устройство для модуляции мощности излучения непрерывных лазеров или задающий генератор для импульсных лазеров; таймер, задающий время работы; индикатор или измеритель мощности излучения (фотометр); инструмент для подведения излучения к объекту (световоды) и др.
|
|
|
5) Наиболее перспективными в НИЛТ являются полупроводниковые лазеры. Малые габариты, низкие питающие напряжения, широкий диапазон длин волн излучения и мощностей, возможность прямой модуляции излучения, относительно низкая стоимость - все это позволяет говорить о том, что полупроводниковые лазеры вне конкуренции в этой области медицины.
6) В настоящее время выпускаются десятки аппаратов лазерной терапии (АЛТ): стационарные и переносные; многопрофильные и узкоспециализированные; применяющие лазеры различных типов и их комбинации и т.д. За годы развития лазерной терапии сформировались и требования к аппаратуре, которые в обобщенной форме были сформулированы относительно недавно. В соответствии с повышением уровня лазерной медицины значительно выросли и требования к современным АЛТ, наступил следующий этап развития лазерной терапевтической аппаратуры, как направления медицинского приборостроения - формирования единой целенаправленной политики в разработке и производстве на основе максимально тесного сотрудничества исследователей различных специальностей, практических врачей и производителей.
184
3) Универсальность - один из основополагающих принципов, заложенных в современном "инструменте" врача или исследователя. Основная цель универсальности - с минимальными затратами удовлетворить многочисленные, порой противоречивые требования врачей к аппаратуре. совместить несовместимое позволяет блочный принцип построения аппаратуры. Разработанная, исходя из этого принципа аппаратура, как бы разбивается на три части: базовый блок, излучающие головки и насадки. Принцип универсальности был реализован в полной мере при разработке АЛТ "Мустанг".
4) Базовый блок - основа каждого комплекта, является по существу блоком питания и управления. Основные его функции - задание режимов излучения: частота, время, мощность. Большинство моделей позволяют контролировать несколько параметров излучения, основным из которых является мощность (средняя или импульсная). Базовые блоки отличаются функциональными возможностями и условно можно разделить на два типа: с фиксированным набором параметров и произвольно задаваемым. При работе по известным методикам, когда процедуру отпускает медсестра и большой поток больных, наиболее предпочтительно и удобно пользоваться АЛТ, в котором применен принцип "фиксированных частот". На передней панели такого базового блока расположен ряд кнопок с указанием над каждой частоты, которая будет автоматически задана после нажатия кнопки. Необходимым атрибутом в этом случае является световая индикация включения, которая позволяет убедиться в правильности задания режима. Аналогичным образом выбирается время работы (таймер). Такой принцип реализован в моделях АЛТ
"Мустанг" - 016, 017, 022.
5) Небольшое количество фиксированных параметров, задаваемых такими аппаратами, приводит к ограничениям возможностей, которые в известной степени устраняются наличием базовых блоков, позволяющих врачу самому задавать необходимые значения параметров (АЛТ "Мустанг" - модели 024 и 026) наглядное представление выбранных значений обеспечивается цифровыми индикаторами разного типа. Аппараты всех типов обязательно должны иметь индикатор или измеритель мощности излучения (фотометр).
6) К одному блоку могут быть подключены одна, две и более излучающих головок, но наиболее распространены двухканальные аппараты. Как правило, в арсенале современного врача есть несколько типов головок, позволяющих максимально реализовать возможности лазерной терапии. В этом случае, применение различного типа коммутаторов, распределителей, разветвителей и т.д. очень удобно, т.к. нет необходимости менять с каждой процедурой головку и можно регулировать их мощность независимо. Можно быстро подключить любую из головок, причем одновременно и в любой комбинации можно использовать две и более, например, красный и инфракрасный лазеры. Взаимозаменяемость излучающих головок и насадок позволяет каждому врачу, исходя из конкретной задачи, составлять свой, оптимальный комплект оборудования или организовывать многофункциональные, высокоэффективные лечебные кабинеты.
7) Простота управления необходима в любой аппаратуре, в том числе и в медицинской. Критерием оценки простоты управления является время на обдумывание действий, связанных с изменениями параметров настройки и число совершенных при этом ошибок. Простота управления АЛТ тесно связана с ее эргономичностью. Должна быть обеспечена такая работа медперсонала, при которой все внимание сосредоточено на больном, на выполнение основной задачи - качественного лечения, а о действиях с самой аппаратурой можно было бы не задумываться.
8) Контроль параметров лазерного излучения чрезвычайно важен для обоснованности применяемых методов лечения и правильной дозировки, что обеспечивает наиболее качественное и эффективное лечение, а также для решения вопросов безопасности пациента и врача. Исходя из этих задач контролировать необходимо следующие параметры:
9) 1.Длина волны излучения.
Этот параметр определяется типом лазера и указывается в документации заводом-изготовителем. Дополнительная индикация не требуется.
2.Частота повторения импульсов излучения или частота модуляции.
185
Задается переключателем любого из перечисленных выше типов на панели базового блока (блока управления). Информация о точном значении частоты представляется либо цифровым индикатором в виде конкретных цифр, либо фиксацией дискретного переключателя в нужном положении (необходимо заметить, что во втором случае каждая дискретная отметка обязательно должна содержать информацию о конкретном значении и размерности параметра, например, 80, 150, 300 Гц). Не допускается использовать отвлеченные величины типа: 1, 2, 3: с рекомендацией производителя узнавать реальное значение параметра в паспорте или инструкции по эксплуатации. Кроме того, что это просто неудобно, значительно повышается еще и вероятность ошибки при задании параметров воздействия.
3.Время работы (таймер).
Кроме требований, которые предъявляются к индикации частоты, необходимо обеспечить еще и звуковую индикацию начала и окончания работы.
4.Мощность излучения.
Вследствии того, что воздействие НИЛИ имеет дозозависимый характер, а мощность излучения может значительно меняться в силу многих причин: температуры окружающейсреды, напряжения питания и др. - существует необходимость обязательного контроля мощности излучения для более точного определения дозы воздействия. Если падение мощности лазеров видимого диапазона излучения можно как-то заметить, то для инфракрасных лазеров (невидимое глазом излучение) проблема контроля мощности и вопросы безопасности стоят еще более остро.
Широкий диапазон рекомендуемых для различных заболеваний и методик мощностей предполагает наличие регулятора уровня мощности, и в этом случае контроль за этими изменениями просто необходим.
В Излучающие головки подключаются к базовому блоку напрямую или через разветвитель. Состоят из одного или нескольких полупроводниковых лазеров (реже используют светодиоды) и электронной схемы управления, которая задает ток накачки лазера, а также обеспечивает адаптацию головки к унифицированному питанию от блока. Иногда электронная схема обеспечивает выполнение и других функций. Необходимо отметить, что именно полупроводниковые лазеры позволили создать систему выносных излучающих головок и реализовать в полной мере блочный принцип построения современной аппаратуры для низкоинтенсивной лазерной терапии.
В Матричные излучатели составляют особый класс головок и автономных аппаратов. Из насадок с ними применяют только специальные магнитные (ММ-2, ММ-3). В медицинской практике наиболее часто применяют матричные излучающие головки и автономные аппараты, содержащие 10 импульсных инфракрасных лазеров [2, 17].
В Масс-габаритные показатели аппаратуры далеко не всегда имеют решающее значение. Приоритетными чаще остаются характеристики, позволяющие в итоге получить наилучший лечебный эффект: универсальность, возможность изменения и контроля параметров излучения, простота управления и др. Проблема габаритов и веса аппарата остро стоит в том случае, когда требуется его систематическое перемещение. Подобные ситуации наиболее часто возникают в следующих случаях:
В 1. Условия работы врача: на плавающем судне, на борту самолета, в передвижных амбулаториях, в изолированных коллективах (дежурные точки, поисковые отряды, экспедиции), в походно-полевых условиях и др. С подобной проблемой также сталкиваются сельские и частнопрактикующие врачи.
Когда при периодическом врачебном контроле пациенты самостоятельно проводят процедуры. Особенно это актуально при лечении тяжелых хронических больных, передвижение которых затруднено, а также пациентов, находящихся далеко от лечебных учреждений, что позволяет не прерывать курс лечения в выходные и праздничные дни.
В В этих ситуациях все преимущества у портативных аппаратов, имеющих минимальные габариты и вес, работающих как от сети (через адаптер), так и от батареи. В первом случае, платой за минимальные размеры и вес является для врача потеря универсальности и, как
186
следствие, ограничение возможностей применения лазерной терапии, а во втором, простота таких аппаратов даже более целесообразна, т.к. позволяет не беспокоиться о неправильном его применении пациентом. В то же время, и практикующему врачу иногда вполне может хватить возможностей портативных аппаратов.
и Автономные портативные аппараты лазерной терапии используют как матричные излучатели (АЛТ "Муравей") так и одиночные, имеющие то преимущество, что позволяют работать с различными насадками (магнитными и оптическими) [9]. Они незаменимы при работе с внутриполостным инструментом (ЛОР, стоматологический и др.), но особенно хорошо такие АЛТ проявили себя в рефлексотерапии. Например, для лазерной акупунктуры разработаны специальные АЛТ "Мотылек - рефлекс", в комплект которых входит соответствующая насадка (А3). Также специализированное направление их применения определяется использованием лазеров с наиболее эффективных для акупунктуры длин волн излучения 0,63 и 1,3 мкм.
и Оптические насадки для внутриполостной лазерной терапии. Исторически, первыми в НИЛТ стали применять гелий-неоновые лазеры (l =0,63мкм). излучение с этой длиной волны проникает в ткани на незначительную глубину и воздействовать на внутренние органы было возможно только с помощью соответствующего световодного инструмента. В настоящее время, с появлением импульсных инфракрасных полупроводниковых лазеров и особенно матричных излучателей на их основе, стали зачастую отказываться от применения насадок в пользу неинвазивного облучения на проекцию больного органа.
и Значительно расширить диапазон интенсивностей, не нарушающих гармонию внутренних биоритмов, можно при временной синхронизации воздействия на биосистему. В принципе, достичь нерассогласующего действия НИЛИ на всех уровнях можно путем согласования временной характеристики воздействующего излучения с периодами всех эндогенных биоритмов, но из-за принципиальных трудностей реализация такого режима ограничиваются априорным определением для каждого больного не менее 3-х частот внутренних ритмов, как это сделано в аппарате "Мустанг-БИО" (Россия). Применение полупроводниковых лазеров обеспечивает малые габариты и удобство пользователя [5].
и Специализация некоторых аппарататов выводит на первый план совсем другие требования, чем универсальность, которая не всегда является исключительно необходимой.
А какой-то степени, это уже показано на примере автономных аппаратов. В 1982-1989 гг. появились сообщения об эффективности применения внутривенного облучения крови (ВЛОК) для лечения больных стенокардией и острым инфарктом миокарда. Методика нашла применение во многих других областях медицины. Возникла необходимость аппаратурного обеспечения. Долгое время для этих целей успешно применялся аппарат АЛОК, в котором стоял He-Ne лазер с l =0,633 мкм и мощностью 2,5 мВт. Теперь им на смену приходят аппараты, применяющие ППЛ с близкой длиной волны излучения. Фирмой "Техника" разработан, успешно прошел технические и клинические испытания АЛТ "МУЛАТ", который предназначен в основном для ВЛОК (максимальная мощность излучения 4,5 мВт).
и Анализ литературных данных позволяет сделать следующие выводы о перспективах развития аппаратуры для НИЛТ:
Производство универсальных аппаратов, построенных по блочному принципу
(базовый блок - излучающая головка - насадка) и позволяющих с минимальными затратами перепрофилировать их для лечения различных заболеваний.
в Производство узкоспециализированных комплексов, сочетающих, как правило, несколько способов воздействия на организм человека. Такие комплексы, оснащенные мощным методическим сопровождением, позволяют максимально эффективно реализовать возможности физической медицины при лечении одного-двух заболеваний. Примером этого направления приборостроения могут служить также аппараты для внутривенного облучения крови, специализированные по способу воздействия.
в Производство малогабаритных, автономных, исключительно простых в обращении и максимально безопасных аппаратов, предназначенных для самостоятельного использования
187
их пациентами по назначению и под наблюдением лечащего врача. Такие АЛТ также могут быть полезны в ряде случаев и врачам.
и Разработка и повсеместное внедрение методик НИЛТ, основанных н воздействии несколькими длинами волн монохроматического излучения (синяя, зеленая, красная и инфракрасная). Реализовать это в малогабаритном и универсальном аппарате позволяют полупроводниковые лазеры с соответствующими длинами волн излучения. Появляется возможность воздействия всеми длинами волн одновременно или в любой комбинации различными излучателями.
и Замена непрерывных лазеров на генерирующие наносекундные импульсы пиковой мощностью 1-10 Вт и имеющие среднюю мощность на 2-3 порядка меньше, чем у применяемых сегодня непрерывных лазеров. Опять же единственно возможными
источниками излучения в данном случае могут выступать только полупроводниковые инжекционные импульсные лазеры с различными длинами волн излучения.
В Реализация многочастотного режима модуляции лазерного излучения всей иерархией эндогенных ритмов конкретного пациента (или максимально возможным набором), охватывая диапазон от онтогенеза (10-10 Гц) до частот оптического диапазона электромагнитных волн (1014 Гц), которыми и осуществляется воздействие.
Другими словами, чтобы получить максимальный эффект, надо учитывать и возраст пациента
и варьировать различными длинами волн излучения. Между этими крайними точками частотной иерархии организации жизни есть множество характерных диапазонов, успешно изучаемых сегодня и которые надо учитывать при многочастотном режиме воздействия НИЛИ.
|
|
|
