МАТРИЧНЫЕ ФОТОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ОБЛУЧАТЕЛИ

В последние годы на кафедре «Биомедицинские технические системы» МГТУ им. Баумана была проведена большая работа по разработке и внедрению в практику фотоматричных терапевтических систем (ФМТС). ФМТС предназначены для облучения пространственно-протяженных патологий органов и тканей человека низкоэнергетическим квазимонохроматическим излучением видимого и ближнего инфракрасного (ИК) — диапазонов и построены по принципу объединения группы сверхизлучающих светодиодов (ССД) с заданными параметрами излучения в матрицу, форма которой приблизительно адекватна пространственной геометрии патологической зоны. Длина волны излучения ССД находится в «окнах прозрачности» мягких биотканей. Предварительные медико-биологические и клинические испытания показали, что при этом открываются принципиально новые возможности для клинической практики.

Можно с достаточной уверенностью говорить о сходности действия лазерного и некогерентного излучения ССД на глубине, превышающей 200 мкм ввиду разрушения временной когерентности лазерного излучения. В пользу этого утверждения говорят и эксперименты на клеточном уровне, хотя вопрос о роли пространственной когерентности во взаимодействии низкоинтенсивного оптического излучения (НОИ) с биотканями продолжает оставаться открытым (см. Л.21).

Выбор длины волны излучения ФМТС обусловлен не только «прозрачностью» биотканей (хотя это само по себе уже благоприятствует усилению терапевтического эффекта), но и особенностями спектра биологического действия (СБД) квазимонохроматического излучения. СБД — это зависимость относительной эффективности излучения как стимулятора данного процесса от длины волны. Для эффективного лечения соответствующих заболеваний с помощью фототерапии знание СБД представляется принципиально необходимым. Однако выяснение СБД предполагает априорное знание о том, какой именно процесс в организме следует стимулировать, что само по себе является нетривиальной задачей. Кроме того, СБД по самой своей сути есть часть спектра поглощения (СП), поскольку сам факт поглощения есть взаимодействие. Выделение СБД на фоне СП означает нахождение «рецепта» выделения поглощения фотобиоактивных (дифференциальных) компонент (молекул, клеток, тканей) на общем поглощающем фоне.

В связи с трудностью решения указанных задач в фотобиологии представлено крайне мало работ, где СБД исследуется на методическом уровне, внушающем доверие, при всем том, что число попыток исследования СБД для самых различных процессов огромно. Исследование СБД на сегодня является задачей особой актуальности для фототерапии, поскольку определение дозы лечебного воздействия без знания СБД невозможно. Понятие СБД в широком смысле является «мостиком» для перехода с одного уровня воздействия на другой (при переходе от молекулярного уровня к субклеточному необходимо выделить фотобиоактивные молекулы, затем при переходе к клеточному уровню необходимо выделить активные органеллы, к тканевому – активные клетки и т.д., вплоть до организменного уровня). СБД можно обобщить и на сверхорганизменный уровень – рассматривая биообъект как часть либо биотехнической системы (БТС), либо экосистемы, либо социальной системы и т.д. Накопление практических результатов использования ФМТС в медицине с необходимостью приводит к тому, что исследование СБД должно быть основой любого конкретного применения фототерапии.

Как известно, «окно прозрачности» биологических тканей лежит в диапазоне длин волн 0,6-1,2 мкм. Максимум прозрачности наблюдается при длине волны излучения l = 0,95 мкм. Коэффициент отражения для кожи составляет 30-50% и зависит от различных причин: например, охлаждение участков воздействия снижает значение этого коэффициента на 10-15%; у женщин он в среднем на 5-7% выше, чем у мужчин.

Поглощение низкоэнергетического излучения зависит от свойств биотканей. Так в диапазоне длин волн 0,6-1,4 мкм кожа поглощает 25-40% излучения; мышцы и кости – 30-80%; паренхиматозные органы (печень, почки, поджелудочная железа, селезенка, сердце) – 100%.

Интерес к области спектра 660-670 нм обусловлен во многом тем, что здесь располагается полоса поглощения ряда фотосенсибилизаторов (ФС), рассматриваемых как перспективные для массового применения фотодинамической терапии (ФДТ). Прежде всего это касается ФС фталоцианиновой (Фотосенс) и хлориновой (хлорин е6, хлорин р6) групп. Подробнее об этом см. ниже (Л.23). Вместе с тем излучение этого диапазона оказывает системное воздействие на процессы торможения роста и размножения особо устойчивых против любых фармпрепаратов бактерий и вирусов. Системность можно усилить, увеличивая объем области воздействия не только за счет выбора длины волны, но и за счет увеличения площади облучаемой зоны, что и реализуется с помощью ФМТС. Требование системности воздействия вплотную примыкает к требованию реализации основного принципа терапии – управления биопроцессами с целью стимуляции желаемых и подавлению нежелательных.

Поглощение излучения осуществляется фотоакцепторами. Существуют различные мнения о природе фотоакцепторов: есть мнение о наличии специфических фотоакцепторов строго определенных длин волн светового излучения, но существует также предположение о существовании неспецифических фотоакцепторов в виде биополимеров (белков, ферментов, биологических мембран, фосфолипидов, пигментов и др.) и биологических жидкостей (лимфы, крови, плазмы, внутриклеточной воды, см. Л.21).

Сторонники наличия специфических фотоакцепторов полагают, что любой фотобиологический эффект начинается со взаимодействия кванта света со специфическим акцептором данного излучения. Такой фотоакцептор, как правило, связан с мембраной клеток или внутриклеточных органелл. Поэтому резонансное поглощение красного света данным фотоакцептором приводит не только к изменению скорости катализируемой им реакции, но и к изменению конформации локальных участков мембраны, а в дальнейшем - и мембраны в целом. В результате создается физико-химическая основа для последовательного возникновения неспецифической реакции клеток облучаемой ткани и ряда других систем, что в свою очередь приводит к усилению биоэнергетических и биосинтетических процессов.

Подход с точки зрения наличия неспецифических фотоакцепторов объединяет наиболее восприимчивые к электромагнитному излучению биоструктуры и отводит им роль неспецифических фотоакцепторов. Спектр поглощения биополимеров весьма широк. Так белки, в зависимости от их структуры, поглощают свет от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК) диапазона спектра: элементарные белковые структуры (аминокислоты, различные остатки белковых молекул и др.) реагируют на излучение УФ – диапазона; чем длиннее система сопряженных двойных связей в молекуле, тем при большей длине волны располагается максимум спектра поглощения.

Ферменты тоже являются веществами белковой природы, несущими на себе определенные компоненты — активационные центры. Ферменты являются катализаторами всех биохимических реакций в организме. Различные ферментативные системы способны реагировать даже на низкоэнергетическое излучение красного и ближнего ИК–диапазона. Фосфолипиды и клеточные мембраны — жидкокристаллические структуры, обладающие неустойчивым состоянием при температуре тела биообъекта около 37°С, весьма чувствительны к воздействию излучения электромагнитных волн всего оптического диапазона.

Биологические жидкости, являясь сложными многокомпонентными системами и обладая свойствами жидких кристаллов, реагируют структурной альтерацией вещества даже на слабые внешние физические воздействия. Наличие в их составе, в частности, в крови, форменных элементов (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и др.) существенно повышает восприимчивость и чувствительность жидких сред организма к внешнему воздействию различных физических факторов, в том числе и НОИ. В биологических жидкостях имеются специфические фотоакцепторы (например, растворенный О₂), реагирующие на монохроматическое излучение определенной длины волны.

Если воздействию подвергаются рецепторные поля кожи или биологически активные точки (БАТ), то весь комплекс перечисленных неспецифических изменений может привести к повышению или понижению возбудимости определенных рецепторов (элементов нервной системы) и тем самым изменить характер регуляторных влияний со стороны центральной нервной, вегетативной и гормональной систем на сердечно-сосудистую, иммунную и другие функциональные системы организма.

Таким образом, на основании большого количества выполненных различными специалистами лабораторных и клинических исследований можно с достаточно большой уверенностью сказать, что восприимчивость биоструктур к низкоинтенсивному излучению оптического диапазона обусловлена наличием совокупности специфических и неспецифических фотоакцепторов, которые поглощают энергию этого излучения и обеспечивают ее трансформацию в биофизических и биохимических процессах.

Воздействие НОИ на биологические ткани можно разделить на непосредственное и опосредованное. Непосредственное воздействие предполагает взаимодействие НОИ с фотоакцепторами с последующим запуском различных фотофизических и фотохимических реакций. При опосредованном воздействии происходит трансформация энергии излучения и ее дальнейшая миграция в объеме биотканей.

Если говорить о биофизических эффектах воздействия НОИ на кровь, то нельзя не упомянуть о том, что результаты экспериментов, проведенные in vitro, показывают снижение вязкости крови на 15-25% при облучении ее посредством ФМТС с длиной волны 660 нм и средней освещенностью 1 мВт/кв.см. Это говорит о том, что на макроуровне одним из главных механизмов терапевтического действия ФМТС является улучшение кровотока, в первую очередь, капиллярного. Об этом говорит и математическое моделирование распространения лазерного излучения в биотканях, результаты которого показывают, что большая часть излучения поглощается в капиллярах, пронизывающих дерму.

Медицинские применения ФМТС.В настоящее время уже накоплен определенный опыт по применению ФМТС в медицинской практике. Проведены лабораторные исследования механизмов действия низкоинтенсивного оптического излучения ФМТС in vitro и in vivo, показавшие: а) иммуномодулирующее действие излучения с длиной волны 660 ± 10 нм; б) антимикробное действие, особенно усиливающееся при оптимальном сочетании НОИ с ультразвуком и лекарственными препаратами (фотосенсибилизаторами); в) антикоагулянтное действие НОИ, существенно улучшающее показатели кровотока в постоперационном периоде и позволяющее резко сократить период реабилитации после радикального лечения.

Наиболее полные исследования удалось провести при лечении постмастэктомических отеков верхних конечностей, атопического дерматита, варикозного расширения вен, стафилококковых инфекций. В настоящее время проводятся исследования по лечению полиневропатий различного типа, а также по восстановлению связывающей способности альбумина у иммунодефицитных больных. Предварительные результаты являются весьма обнадеживающими.

Области применения фотоматричных систем:

Ø лечение инфицированных ран, ожогов и местных воспалительных процес­сов кожи (как средство оперативного бактерицидного воздействия)

Ø фотоактивация иммунной системы при лечении заболеваний, сопровождающихся вторичным иммунодефицитом (хронические заболевания, ал­лергии, дерматиты и т.п.);

Ø лечение венозной и артериальной недостаточности конечностей;

Ø лечение рожистых заболеваний;

Ø лечение постмастэктомических отёков

Проведен обширный цикл клинических исследований, подтвердивший результаты лабораторных исследований и поставивший новые задачи. Именно: а) агрессивность хирургического и сопутствующих радикальных методов не может не отразиться на всем организме и, прежде всего, нарушает способность саморегуляции его систем, направленных на поддержание гомеостаза. С этой точки зрения применение как низкоинтенсивного лазерного излучения, так и некогерентного квазимонохроматического света при восстановительном лечении больных после радикальных вмешательств играет важнейшую роль в формировании гомеостатического обеспечения организма пациентов. Всю совокупность фотобиологических эффектов, возникающих при взаимодействии НОИ с биотканями, можно представить как фотохимические реакции, продукты которых оказывают воздействие на нервные окончания и, опосредованно, на всю нервную систему. В организме возникают ответные нервно-рефлекторные и нервно-гуморальные реакции, активируется иммунная система, увеличивается концентрация адаптивных гормонов.

Ответная реакция организма — это всегда интегральная системная реакция, включающая изменения на уровне клеток, тканей, органов и управляющих систем организма; б) сочетанное воздействие низкоинтенсивного излучения с медикаментозным и ультразвуковым воздействием может произвести синергетический эффект и тем самым резко сократить период послеоперационной реабилитации больных с точки зрения ускорения заживления инфицированных послеоперационных ран; в) применение НОИ является весьма эффективным методом не только лечения, например, больных с постмастэктомическим синдромом, но и профилактики его дальнейшего прогрессивного развития, что на сегодня недоступно для традиционных методов восстановительного лечения.

Курс лазеро- и фототерапии целесообразно повторять в течение первого года лечения через каждые 3 месяца, в течение второго года — через каждые 6 месяцев, а в последующем — 1 раз в год; г) необходимо развивать исследования и методические разработки в части дальнейшего изучения иммуномодулирующего действия НОИ, поскольку достигнутый на сегодня уровень дает возможность только качественно оценивать изменение авидности антител под воздействие НОИ, тогда как для решения проблемы дозиметрии необходимы количественные характеристики как указанного эффекта, так и сопутствующих ему.

То же можно сказать и о результатах исследования стимулирующего действия НОИ на состояние кровотока в облучаемых тканях и в организме в целом. Обнаруженное антикоагулянтное действие НОИ ставит целый ряд вопросов, без ответа на которые рекомендации к массовому применению ФМТС в клинической практике не могут быть разработаны.

Антимикробное действие НОИ в сочетании с другими методами лечения, обнаруженное в лабораторных исследованиях и подтвержденное в клинике, требует систематического исследования прежде всего с точки зрения выработки критериев оптимальности сочетания используемых методов для различных случаев постоперационного лечения, привязанных к наиболее массовым и наиболее радикальным операциям.

Чисто инженерный аспект проектирования ФМТС различной геометрии для различных медицинских задач требует разработки алгоритма решения обратной задачи (не расчета распределения интенсивности излучения в пространстве при заданном расположении излучателей, а расчета оптимального расположения излучателей при заданном пространственном распределении интенсивности).

Не решена пока задача биосинхронизации при модуляции интенсивности излучения ФМТС, неразрывно связанная с анализом спектров биологического действия низкоинтенсивного оптического излучения. В целом итоги выполнения работы по означенной выше теме требуют продолжения исследований и разработок.

Следует заметить, что нельзя четко определить область применения того или иного типа ФМТС, так как для терапии одной и той же патологии разных размеров и локализации применяются облучатели различной формы и размеров. Так, ФМТС «Фотонный душ» применяется, как правило, для облучения всего туловища, ФМТС «Матрикс» и «Гном» — для облучения конечностей, а для локальных воздействий применяются небольшие плоские ФМТС, которые изготавливаются в виде бинтов, пластырей и т.д. Все перечисленные образцы ФМТС разработаны в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре БМТ-1.

Поскольку выше уже было сказано о сходности действия низкоинтенсивного лазерного и обычного оптического излучения на биоткани, способы проведения фототерапии посредством ФМТС на сегодня аналогичны способам проведения лазерной терапии: это курс из 10-15 процедур облучения по 15-20 мин. в день. Количество процедур и их длительность определяется лечащим врачом на основании первоначального состояния здоровья пациента и последующего уровня терапевтического эффекта (например, при постмастэктомических отеках верхних конечностей эти параметры врач определяет, исходя из первоначальной степени отека и его уменьшения в процессе лечения).

Конечно, подобный подход к определению дозы облучения нельзя считать удовлетворительным, поскольку он не учитывает возможных отдаленных последствий облучения. Чем больший опыт практического применения фототерапии накапливается, тем настоятельнее формулируются требования к выработке методики априорного определения дозы облучения, основанного на обобщенном анализе СБД.

К настоящему времени созданы фотоматрицы различной геометрии: плоская на гибкой подложке, полусферическая, цилиндрическая, полуцилиндрическая в виде интегрального «фоточипа» с большой плотностью размещения светодиодов (для надкожного облучения крови и локальной фотодинамической терапии), фотоматрица с дистанционным питанием посредством импульсного магнитного поля.

Сведений о наличии прямых аналогов светотерапевтических фотоматричных облучателей ни в нашей стране, ни за рубежом нет. В качестве ближайших косвенных аналогов можно назвать различные лазерные физиотерапевтические аппараты, применяемые сегодня в медицинской практике. Это достаточно широко представленные на российском рынке аппараты отечественного производства, такие как «Геска», «Дюна-Т», «Мустанг», «ОКА», «Мулат», и импортные аппараты «Bio-Beam», «No-No»,LaserPath (CША), «Maestro» (Чехия), «Thor» (Англия) и т.д.

Все вышеназванные физиотерапевтические аппараты предназначены для местного, локального воздействия на патологические зоны и принципиально не могут обеспечить лечебного эффекта для таких заболеваний, как отеки, варикозное расширение вен, кожные болезни, ожоги, травмы — везде, где требуется длительное, обширное, а также многократное облучение (при длительном курсе лечения) и оперативность воздействия (при ожогах и травмах). Все они обладают следующий недостатками применительно к облучению протяженных и обширных зон:

— сложность конструкции и, как следствие, необходимость привлечения высококвалифицированного персонала;

— опасность попадания в глаза прямого лазерного излучения из-за большой плотности мощности;

— относительно большие габариты и масса терапевтических лазеров при относительно низкой излучаемой мощности;

— необходимость использования специальных приставок (диффузоров) для получения достаточно равномерной освещенности облучаемой поверхности;

— относительно высокая стоимость как самого терапевтического аппарата, так и терапевтической процедуры, а значит и ограниченная ее применимость (доступность).

Современные лазерные терапевтические установки широко используются в различных областях медицины. Вместе с тем обычная лазерная аппаратура нередко оказывается малоэффективной в силу того, что в ней используются чаще один или небольшое число источников, расположенных, как правило, на плоской подложке и предназначенных в основном для воздействия на локальные зоны площадью до 20 см².

При создании аппарата под заранее выбранную концепцию приходится подбирать соответствующую элементную базу, основным определяющим звеном которой является светодиод. Основными значащими параметрами светодиода, указанными в сопроводительной документации, являются:

• длина волны в максимуме l, нм

• ширина спектра излучения по уровню 1/2 от максимума Dl, нм

• максимальная и минимальная сила света при заданном номинальном токе через светодиод, мКд,

• двойной апертурный угол 2Q, град

• вольт-амперная характеристика светодиода (зависимость прямого тока через светодиод от напряжения питания);

• зависимость силы света от прямого тока через светодиод;

• предельные параметры: зависимость силы света от температуры и др. (эти параметры позволяют рассчитать электрическую схему соединения элементов, номиналы необходимых стабилизирующих резисторов, структурную электрическую схему аппарата, необходимые параметры блока питания и т.д.);

• габаритные размеры светодиодов (диаметр, высота, толщина фланца и прочие) (позволяют оценить реальные габариты излучателя, его массу, продумать элементы крепления и схемы монтажа).

Литература к лекции 22.

1. В.А. Буйлин. Низкоинтенсивная лазерная терапия с применением матричных импульсных лазеров: Информационно-методический сборник. / Под ред. чл.-корр. РАМН О.К. Скобелкина. — М.: Изд. ТОО «Фирма «Техника»», 2000, - 124 с.

2.Низкоинтенсивная лазерная терапия. Сб. /Под ред. С.В. Москвина, В.А. Буйлина. — М.: Изд. ТОО «Фирма «Техника»», 2000, — 724 с.