Матричные импульсные красные лазеры

© Москвин Сергей Владимирович – доктор биологических наук, кандидат технических наук, профессор курса реабилитационной медицины Академии постдипломного образования ФГБУ ФНКЦ ФМБА России, г. Москва, автор более 550 научных публикаций, в том числе более 50 монографий, и 35 авторских свидетельств и патентов; эл. почта: 7652612@mail.ru, сайт: www.lazmik.ru

Зачем нужны матричные лазерные излучающие головки, и какие они должны быть

   Оптимизировать площадь и энергетическую плотность воздействия позволяют матричные лазерные излучающие головки, у которых лазерные диоды распределены по поверхности таким образом, чтобы световые поля, создаваемые ими по отдельности, объединившись, обеспечивали наилучшие пространственно-энергетические параметры методики в объёме. Подчёркиваем, важно не столько распределение световых пятен по поверхности, а как оно влияет на конечный эффект в совокупности с особенностями расходимости лазерного луча и поглощения НИЛИ в биотканях. То есть для матричных лазерных излучающих головок важны оба показателя – размер общей площади и число излучателей,
распределённых по ней.
   Создание наилучших по эффективности излучающих головок разного назначения – задача достаточно сложная, но решаемая. Методика применения, длина волны, режим работы лазерного диода, его корпусное исполнение и свойства его луча, – всё это влияет на конструкцию устройства. В.П. Жаров с соавт. (2002) также обращают внимание на необходимость учёта формы самого объекта, для которого предназначено устройство. Например, когда надо провести освечивание конечностей по всей окружности или половой член через колбу в методике ЛЛОД.
   Для начала ответим на вопрос: верно ли утверждение, что чем больше площадь матричного излучателя и лазерных диодов, тем лучше? Конечно, нет! Размер суммарного светового пятна ограничен размерами зоны воздействия, это необходимо для обеспечения избирательности. Если изготовить матричный излучатель, соизмеримый с площадью поверхности тела человека, эффект от такого «изобретения» будет равен нулю. Но размеры и не должны быть слишком маленькими, в этом случае не гарантируется равномерность освечивания всего нужного объёма. Например, зеркальные насадки позволяют в некоторой степени распределить световую энергию по поверхности от одиночного лазерного диода (лазерные головки типа ЛО или ЛО-904), но этого часто недостаточно.
   Наиболее удачным примером оптимизации конструкции матричных излучателей для воздействия на проекцию внутренних органов, органов иммунной системы и крупных кровеносных сосудов (НЛОК), а также для наружного применения и паравертебральной методики являются матричные излучающие головки МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40 (красная, 635 нм, импульсная), выполненные по технологии ЛАЗМИК® и производства Научно-исследовательского центра «Матрикс». Кроме оптимальных размеров и пространственного распределения ЛД (высокой лечебной эффективности), они имеют максимальную импульсную мощность (до 200 Вт) и рабочую частоту до 10 000 Гц при гарантийном сроке эксплуатации 5 лет!
   Это результат нескольких лет исследований и применения специальных, высоконадёжных импортных лазерных диодов. Матричные излучатели других компаний значительно отстают по своей эффективности, хотя иногда могут применяться с ограничением возможностей.
  Обоснование принципов оптимизации параметров матричных излучающих головок для импульсных лазеров сделано нами относительно недавно [Москвин С.В., 2008; Москвин С.В. и др., 2007]. При этом мы руководствовались рядом обстоятельств, которые существенно влияют на методологию лазерной терапии.
        1. Как было показано выше, в биологических эффектах НИЛИ в качестве первичного действующего фактора выступает градиент температуры и термодинамический запуск Ca2+-процессов. Это возможно только при условии поглощения падающего света, что, в свою очередь, определяется наличием поглощающего компонента в живой клетке для данной длины волны. Другими словами, можно сколь угодно долго варьировать параметрами, но если нет поглощения, то никогда не будет и лечебного эффекта. Чем выше коэффициент (степень) поглощения, тем меньше падающей энергии необходимо для результата.
        2. При взаимодействии с биотканями, имеющими значительный объём, до момента поглощения НИЛИ происходит множество других процессов, одним из которых является рассеяние. В такой ситуации на первый план выступает именно объёмное распределение энергии, которое хоть и связано косвенным образом с площадью пятна поверхности кожи, однако далеко не так линейно, как в модельных экспериментах.
         3. Более того, сам патологический очаг, на который нацелено воздействие, не является объектом ограниченной формы и не имеет строгой локализации в пространстве, зона физиологических нарушений всегда достаточно сложна и крайне причудливо расположена в тканях (органе), а также имеет свойство менять ориентацию при изменении положения тела пациента. 

 Все эти факторы необходимо учитывать при задании оптимального пространственного распределения энергии падающего лазерного света.
     Итак, любое воздействие НИЛИ с лечебной целью становится возможным лишь после того, как часть излучения проникла на глубину и поглотилась. Следовательно, анализ терапевтических методик должен базироваться на чётком представлении о характере распределения излучения внутри кожи и отдельных её слоёв и понимании процессов, происходящих при взаимодействии фотонов света со структурными элементами биоткани.
  Кожа, как и другие органы, представляет собой оптически неоднородную поглощающую среду и имеет более высокий (по сравнению с воздухом) показатель преломления. В случае преодоления светом границы раздела «воздух-кожа» некоторая часть излучения отражается, остальная проникает внутрь ткани (рис. 1.10). Часть энергии лазерного луча при попадании на поверхность отражается от неё, а прошедшая за счёт поглощения и многократного рассеяния ослабляется и расширяется. Объёмное рассеяние является также причиной распространения довольно значительной части энергии в обратном направлении [Утц С.Р., 2000].
  Поглощение является важнейшим компонентом взаимодействия НИЛИ с исследуемым биообъектом. Энергия поглощённого излучения переходит либо в тепло, либо тратится на инициирование фотохимических реакций. Как уже было сказано выше, последним мы пренебрегаем в рамках изучаемого нами вопроса.
   Помимо поглощения кожа, так же, как и другие органы, характеризуется значительным светорассеянием, поскольку состоит из большого числа случайно распределённых в объёме рассеивающих центров. Степень этого свойства зависит от длины волны излучения и оптических свойств биоткани. Рассеяние света средами, состоящими из большого числа частиц, существенно отличается от такового в случае единичного отражения от одного объекта. Это связано, во-первых, с интерференцией волн, рассеянных отдельными частицами между собой и с падающей волной; во-вторых, во многих случаях важны эффекты многократного переизлучения, когда свет, рассеянный одной частицей, вновь отражается от других; в-третьих, взаимодействие частиц между собой не позволяет считать их движения независимыми.
     В ультрафиолетовой и дальней инфракрасной областях спектра доминирует поглощение, вклад рассеяния невелик, и свет проникает неглубоко, иногда всего лишь в пределах нескольких клеточных слоёв. В видимой области спектра глубина проникновения света для типичной биоткани составляет 0,5–2,5 мм. В этом случае существенную роль играют как поглощение, так и рассеяние, которое преобладает в отражённом от кожи излучении (отражается примерно от 15 до 50% падающего света).
     На длинах волн от 600 до 1500 нм рассеяние преобладает над поглощением, и глубина проникновения увеличивается. Сильное рассеяние обусловлено соизмеримостью длины волны излучения с размерами клеток и отдельных их лементов (ядро, митохондрии, цитоскелет и пр.). По мере того как свет проникает через кожу, коллимированная структура пучка полностью заменя ется на диффузно рассеянную, возрастает доля вышедшей наружу энергии, и интенсивность отражённого от кожи света достигает 35–70% от уровня падающего пучка. В зависимости от типа биоткани и длины волны коэффициент отражения может изменяться в очень широких пределах. Взаимодействие света с кожей имеет сложный характер: в отражённом излучении значительна доля обратного рассеяния от различных её слоёв. Вследствие микроскопической неоднородности границы раздела «воздух – роговой слой» пучок падающего света превращается при отражении в диффузный.
   Значительная часть пучка света проникает в кожу, где частично поглощается и рассеивается. Рассеянные фотоны, ушедшие из падающего пучка, распространяются по случайным направлениям в соответствии с видом фазовой функ ции рассеяния, определяемой структурой кожи и длиной волны излучения. Рассеянные фотоны вносят вклад в диффузное распределение света по объёму биоткани, в том числе формируют обратный поток.
   Далеко не все рассеянные фотоны могут выйти из кожи. Те из них, которые имеют углы падения на границу раздела «роговой слой – воздух» больше предельного, возвращаются в кожу (около 55%), а другая часть диффузной компоненты света (около 45%) выходит наружу. Коэффициент отражения кожей света достигает 43–55% и зависит от различных причин: охлаждение участка воздействия снижает значение коэффициента отражения на 10–15%; у женщин он на 5–7% выше, чем у мужчин; у лиц старше 60 лет ниже, чем у молодых; увеличение угла падения луча ведёт к возрастанию коэффициента отражения во много раз. Существенное влияние на коэффициент отражения оказывает цвет кожных покровов, для пигментированных участков он меньше на 6–8% [Лазерная и магнитолазерная терапия, 1985; Улащик В.С., 1986].
  Следовательно, при сильном рассеянии суммарный коэффициент отражения кожи может быть значительным. Для оптимизации лазерной терапии обычно снижают зеркальное и диффузное отражение с помощью специальных зеркальных насадок при контактно-зеркальной методике воздействия.
   Ещё один важный момент. Исследования И.Г. Ляховской (1981) показали, что коэффициенты поглощения НИЛИ в ближней ИК-области составляют 2,3 и 1,0 см–1 (расстояние, на котором мощность уменьшается в 2,71 раза) соответственно для тканей печени и мышц. Это означает, что энергия излучения лазера поглощается в тканях вроде бы незначительно, однако вследствие рассеяния (диффузное, комбинационное и др.) на глубине 1 см в геометрической зоне лазерного луча (около 0,5 см2) остаётся только 1–3% от падающего светового потока. Таким образом, возникает проблема доставки энергии лазера к патологическому очагу ограниченного размера, или точнее, имеющего малые угловые размеры. Становится понятно, что часто упоминаемые в литературе 6–8 см, на которые якобы проникает ИК-лазерное излучение с сохранением 10–15% падающей энергии [Брискин B.C., Полонский А.К., 1991], – лишь крайне неудачная попытка объяснения фактов лечения глубоко лежащих органов при наружном освечивании импульсным лазером.
  Приведённые основные сведения о процессах распространения оптического излучения в коже носят в основном описательный характер, но необходимы для понимания сути проблемы. Более сложным элементом изучения оптики биологических тканей является непосредственное измерение их оптических характеристик. Определению оптических параметров кожи посвящено относительно небольшое количество работ, поскольку тема представляет собой достаточно сложную задачу.
   Самым, казалось бы, простым решением вопроса могло бы стать использование мощных лазеров с распределением их световой энергии по большой поверхности. Однако на практике такой способ не применяется в силу ряда возникающих проблем. Во-первых, требуется увеличить мощность пропорционально площади, чтобы сохранить оптимальную ЭП. Например, при оптимальной ПМ 10 мВт/см2 (длина волны 635 нм) для площади 20 см2 (наилучшей для матричных излучателей) мы должны обеспечить мощность лазерного источника не менее 400 мВт (с учётом потерь на оптике и отражении). Лазеры с такой мощностью существуют, но очень дорогие. О так называемых сканирующих системах, совершенно не применимых в лазерной терапии по многим причинам, мы вообще говорить не будем. Во-вторых, возникают вопросы безопасности, большое открытое пятно на поверхности, от которого отражается до 50% падающей световой энергии, заставляет использовать дополнительные средства защиты персонала и пациентов. В-третьих, как уже упоминалось выше, наиболее эффективно освечивать поверхность неравномерно, именно точечными источниками света, лазерными диодами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга.
   Кроме того, необходимо обеспечить такое распределение внешних лазерных источников (мощности излучения) по поверхности, чтобы засветить максимально полно нужный объём биоткани. Важно создать лучшие условия для распределения НИЛИ во всем патологическом очаге или, по крайней мере, в большей его части. Способ решения поставленной задачи был предложен достаточно давно. Благодаря появлению лазерных диодов, которые обладают исключительно малыми размерами (корпус 5,6 мм) и ещё меньшей областью свечения (10–50 мкм), их можно размещать по поверхности в виде излучающих матриц.
     В зависимости от того, каким образом происходит поглощение и рассеяние падающего излучения в биоткани, формируется энергетическая плотность в заданном объёме, в большом числе клеток одновременно, и определяется наличие или отсутствие эффекта. Остальные процессы (отражение, обратное рассеяние и пр.) мы не будем рассматривать, поскольку они вносят лишь незначительный вклад в общую картину происходящего.
    Для качественной оценки энергетических характеристик системы «лазерное излучение – биоткань» мы упростили постановку задачи, но даже такое теоретическое обоснование позволило получить превосходные результаты, как в эксперименте, так и в клинической практике [Москвин С.В., 2008].
   У современных матричных лазерных излучающих головок МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40 (красная, 635 нм, импульсная), выполненных по технологии ЛАЗМИК®, лазерные диоды расположены почти непосредственно у поверхности (рис. 2.38), а не за специальным стеклом (т. е. на расстоянии), что позволяет значительно повысить эффективность воздействия при меньшем количестве лазеров. Общая область засветки представляется как суперпозиция 8 точечных источников света, расположенных в два ряда по 4 лазерных диода. Поскольку они находятся на минимальном расстоянии от кожи, световые потоки не успевают значительно расшириться, за счёт чего и обеспечивается минимизация области засветки или имитация «точечных» источников света. При этом подразумевается, что дальнейшее рассеяние происходит по закону Ламберта, т. е. уже не зависит от направления.

 
Рис. 2.38. Матричные излучающие головки МЛ01К, МЛ01КР, МЛ01КМ к аппаратам «Матрикс» и МЛ-904-80, МЛ-904-200, МЛ-635-40 к аппаратам ЛАЗМИК^®

    Площадь светового пятна, по которой рассчитывают плотность мощности у матричных лазерных излучающих головок МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40 на расстоянии до 0,5 см от ЛД составляет 8 см2, т. е. 8 источников света можно представлять суммой лазерных головок с одним лазером и зеркальной насадкой. На расстоянии 7 см (предельном) формируется почти прямоугольная область размером 5 × 10 см, и плотность мощности рассчитывается исходя уже из суммарной мощности всех лазерных диодов на площадь 50 см2.
   Матричный излучатель в зависимости от назначения может иметь другое количество лазерных диодов. Например, известная лазерная излучающая головка ЛО-ЛЛОД содержит 4 отдельных блока, в каждом имеются по 3 непрерывных красных и 2 импульсных ИК ЛД, т. е. матричный излучатель в данном случае не плоский, а объёмный. Платы располагаются напротив друг друга на колбе, в результате чего обеспечивается равномерная засветка полового члена со всех сторон (рис. 2.39).
    Другое направление совершенствования матричных излучателей и повышения их эффективности, как уже отмечалось выше, видится в переходе на импульсные лазерные диоды с длиной волны 635 нм (красный спектр).

Матричные излучатели наиболее универсальными, позволяют с максимальной эффективностью реализовать практически все методики современной лазерной терапии. С помощью таких головок нельзя проводить, пожалуй,только лазерную акупунктуру.

Рис. 2.39. Расположение лазерных матричных излучателей головки ЛО-ЛЛОД к аппаратам «Матрикс» и ЛАЗМИК® на колбе ЛО-ЛЛОД

    Также, как это ни странно, они не всегда эффективны при лечении больных с ожогами и отморожениями, где, вроде бы, им самое место (из-за размеров области поражения). Оказалось, что иногда более эффективно освечивать не всю поверхность, которая может оказаться весьма значительной, а локально и кратковременно. Воздействие производится на ранних сроках после получения ожоговой травмы на открытые раневые поверхности (дистантно, на расстоянии 1–2 см от поверхности раны) или через повязки по контактно-зеркальной методике. Импульсные ИК-лазеры (излучающая головка с одним лазером типа ЛО-904-15, с зеркальной насадкой ЗН-50), частота 80 Гц, мощность 5–7 Вт, экспозиция на одну зону 8 с до отторжения некроза, 4 с – после его удаления. Воздействуют на 3–4 зоны по краям условной поверхности, соответствующей 1% общей площади тела (ориентир – ладонь), общая длительность – до 6 мин (всего за 1 процедуру до 35 зон). Курс лечения при наличии некроза составляет 5 сеансов, в пред операционный период (на открытую рану) – 5 сеансов, в послеоперационный период (во время перевязок или через повязку) – по показаниям, но не больше 5 сеансов. Эффективно комбинировать местное воздействие с ВЛОК, длина волны 635 нм, мощность на выходе одноразового стерильного световода 1,5–2 мВт, время одной процедуры 10–15 мин, на курс 5–6 процедур, через день [Герасимова Л.И., 2000]. Возможна замена ВЛОК на методику НЛОК – эффективнее, меньше экспозиция и удобнее.
     Итак, излучающие головки, представляющие собой матрицу из лазерных диодов, расположенных специальным образом, решают задачу оптимизации и контролируемости энергетической плотности в нужном объёме. Если использовать один точечный источник света, один ЛД или узкий пучок света ГНЛ, то при распространении на глубину энергия лазерного света непредсказуемо рассеивается, не обеспечивая требуемой ЭП. И чем глубже находится прогнозируемая область воздействия, тем меньше вероятность того, что световая энергия дойдёт до него. Если же, предположим, освечивать очень большую поверхность (следовательно, объём), то не будет обеспечена избирательность.
    Не существует ни одной лазерной излучающей головки, которая с одинаковой эффективностью позволяла бы реализовать все методики лазерной терапии, однако матричные излучатели с импульсными лазерными диодами красного (635 нм) и инфракрасного (904 нм) спектров – рекордсмены по универсальности и эффективности.
    В качестве примера приведём одно наше исследование, в котором эффективность лазерных матричных излучателей и их преимущества перед лазерными излучающими головками с одним лазерным источником были продемонстрированы в профилактике ишемических поражений мозга и лечении больных с хронической ишемией мозга (ХИМ, по МКБ-10) или дисциркуляторной энцефалопатией (ДЭ, прежнее название) [Космынин А.Г., 2005; Кочетков А.В. и др., 2004–2007]. Результаты исследования сравнивались с известной методикой монодиодной ЛТ [А.с. № 1780770]. Воздействие проводили на проекцию экстракраниальных отделов МАГ на шее по контактнозеркальной методике стабильной с использованием излучающей головки типа ЛО1 аппарата «Матрикс» (длина волны 904 нм, частота 80 Гц, импульсная мощность 4–5 Вт, экспозиция 5 мин на одно поле). При использовании 2 каналов суммарная экспозиция составляет 5 мин (2 поля) или 10 мин (4 поля). На курс 12–15 процедур, в ежедневном режиме, 5–6 раз в неделю. Локализация воздействия зависела от клинико-гемодинамических особенностей течения ДЭ. При синдроме каротидной недостаточности (КН) воздействие проводится в проекцию общей сонной артерии (ОСА) в синокаротидную зону (ориентир – ниже угла mandibula) с обеих сторон одновременно. При синдроме вертебрально-базилярной недостаточности (ВБН) сначала воздействовали аналогично на синокаротидную зону, а затем без временного интервала на проекцию отрезка УЗ ПА в субокципитальную зону (ориентир – дорзально от рr. mastoideus).
   Применение матричной ЛТ на проекцию экстракраниальных отделов МАГ на шее также проводили по контактной, стабильной методике с использованием матричной излучающей головки типа МЛ01К (8 лазерных диодов) к аппарату «Матрикс» (длина волны 904 нм, частота 80 Гц; импульсная мощность 40–50 Вт, экспозиция от 5 мин на поле). При использовании 1 канала суммарная экспозиция составляет от 5 мин (2 поля) до 10 мин (4 поля). На курс от 8 до 12 процедур, ежедневно или через день, 3–5 раз в неделю. Локализация также зависела от клинико-гемодинамических особенностей развития и течения ДЭ. При преобладании синдрома КН у больных ЛТ применяли последовательно на проекции обеих ОСА (передняя локализация). При преобладании синдрома ВБН воздействовали на обе заднебоковые поверхности шеи (задняя локализация). При клинических признаках сочетанной КН и ВБН на фоне, как правило, стенозирующего поражения в одной из систем применяли заднюю локализацию.
   В исследовании до и после курса лечения проводилось развёрнутое ультразвуковое доплеросонографическое исследование (УЗДГ), а также дуплексное сканирование экстракраниальных отделов магистральных артерий головы (МАГ) и транскраниальная доплеросонография (ТКД) артерий головного мозга. В исследовании применялись последовательно аппараты Аlоkа-5500 (производства Аlоkа, Япония). По данным первичного развернутого УЗДГ- и ДС-исследования выявлялись гемодинамически значимые стенозы (ГЗС) > 60% в экстракраниальных отделах КС – в зоне бифуркации ОСА или в устье ВСА у 9 больных. Гемодинамическим критерием отбора больных в группы было отсутствие множественного типа поражения КС в виде двусторонних ГЗС в экстракраниальных отделах КС.
   Проведена оценка состояния функции гемостаза и гемореологических параметров. Агрегацию тромбоцитов (АгТр) спонтанную и индуцированную 1 и 5 мкм АДФ исследовали на 2-канальном лазерном анализаторе АгТр (модель 220 LA производства НПФ «БИОЛА», Россия). Вязкость цельной крови (ВЦК) и плазмы (ВП) исследовали с помощью ротационного гемовискозиметра (модель АКР-2 производства «КОМЕД», Россия). Исследование проводили при скоростях сдвига 220 и 20 с–1.
     Положительная динамика клинико-неврологических симптомов (уменьшение церебрастенических явлений, нистагма, атаксии и др.) чётко прослеживалась к концу курса у больных в 1-й (контроль) и 2-й (монолазер) группах и уже к середине курса в 3-й (матричная излучающая головка). Прослеживалась тенденция более быстрого регресса клинических симптомов вертебрально-базилярной недостаточности во 2-й и 3-й группах по сравнению с 1-й и в 3-й группе по сравнению со 2-й. К концу курса лечения улучшение гемодинамического паттерна выявлено у 8 больных в 1-й группе, 16 – во 2-й и 29 – в 3-й (р < 0,05). Также к концу курса в 3-й группе более выраженными были позитивные изменения со стороны гемостаза (спонтанная агрегация тромбоцитов) и гемореологии (вязкость цельной крови) (табл. 2.27). В конечном итоге это приводит к достоверно более высокому повышению уровня «качества жизни» как после первого, так и повторных курсов матричной ЛТ.

Таблица 2.27

Динамика параметров агрегации и реологии крови (M ± δ)

       Полученные данные свидетельствуют о безопасности и высокой эффективности ЛТ матричными излучателями по сравнению со «монодиодной» ЛТ у больных ДЭ (ХИМ). Оптимальная экспозиция на одну область составляет 2 и 5 мин. Обращаем ещё раз внимание на тот факт, что при одинаковых длине волны и режиме работы лазеров, плотности мощности, частоте и времени экспозиции, т. е. всех формальных составляющих методики, результаты воздействия существенно различаются. Лишь вследствие разной общей площади освечиваемой поверхности и типа излучающей головки.
   Необходимо ещё раз подчеркнуть, что данные расчёты и проведённые исследования позволили максимально улучшить пространственно-энергетические параметры излучателей МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40, только выполненных по технологии ЛАЗМИК®. Излучающие головки для других аппаратов имеют совершенно иные конструктивные и схемотехнические решения, весьма далёкие от оптимальных и эффективных, поэтому не могут рассматриваться как полноценные аналоги.

Источник: Москвин С.В. Эффективность лазерной терапии. Серия «Эффективная лазерная терапия». Т. 2. – М.–Тверь: ООО «Издательство «Триада», 2014. – 896 с. – С. 319-328.