CC BY
85
Раздел III
ТЕРАПИЯ
НЕКОТОРЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИАГНОСТИКЕ И ТЕРАПИИ
В.Ф. Барыбин, Д.В. Жильников, И.А. Захарова
Анализ современных тенденций развития диагностики и терапии в медицине показывает, что одним из важнейших направлений в настоящее время является разработка новых методов и устройств, существенно уменьшающих инвазивность, фармохимизм и другие нежелательные воздействия на организм пациента. В то же время во всем мире наблюдается увеличение нагрузки на медицинский персонал клиник в связи с ростом заболеваемости населения. Все это заставляет разрабатывать новые медицинские технологии, обладающие максимальным эффектом при минимальной затрате времени.
Этим требованиям в полной мере отвечают новые лазерные клинические методы диагностики и терапии, разрабатываемые как в России, так и за рубежом. Преимущество этих методов очевидно (отсутствие вредных ионизирующих излучений и зачастую медикаментозного воздействия на организм, отсутствие противопоказаний у большинства пациентов, неинвазив-ность, бесконтактность, асептичность. Более высокая информативность лазерных методов диагностики и терапии объясняется такими свойствами лазерных источников излучения, как малая длина волны, высокая степень монохроматичности (до тысячных долей ангстрема), когерентность излучения, поляризация и т.д.
Поэтому данные методы с точки зрения вложения в них финансовых средств попадают под определение так называемых «прорывных технологий» и способны в достаточно короткие сроки обеспечить переход на новый технологический уровень в различных областях медицины.
Задачи и методы диагностики физиологических, патофизиологических процессов в организме, живых тканях и органах методом оптических (биофотометрических, спектральных и т.п.) измерений существенно отличаются от современных лабораторных исследований, которые предполагают подход, базирующийся на прямой зависимости состояния и функционирования тканей и органов от их клеточной и молекулярной структуры, то есть держатся в пределах биохимического и молекулярного уровней. Оптические же исследования позволяют в реальном масштабе времени решить задачу изучения взаимодействия молекулярного уровня системы с клеточным, органным уровнями и с организмом в целом [1,2]. Причем, в качестве количественных параметров используются оптические показатели (коэффициент отражения, пропускания, спектральные параметры, коэффициенты контрастности и т.д.). Следует также отметить, что оптические методы диагностики и терапии не требуют расходных лабораторных препаратов, являются существенно более дешевыми, а реальный масштаб времени представляет возможность непосредственно в процессе лечения объективно отслеживать положительную динамику или вносить соответствующие коррективы в методику проводимых процедур [3, 5].
В основе применения лазерных (оптических) методов терапии и диагностики лежит тот факт, что физиологическое состояние тканей органов и организма в целом (как здорового так и при наличии патологий) существенно зависят от взаимодействия ката-болических и синтетических клеточных процессов. Причем, все органические макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), а также большинство составляющих, входящих в клеточные субстраты, обладают специфическими (индивидуальными) спектрами оптического поглощения, отражения, рассеяния, люминесценции в зависимости от состояния (окисленного или восстановленного), а соотношение различных форм молекулярных компонентов в исследуемой ткани, их объем и концентрация, частота пульсаций и т.д. определяются общей функциональной активностью различных клеточных структур и органов, в том числе в немалой степени и клеток крови.
Собственно проблема исследований влияния света на состояние биологических объектов является далеко не новой. Ее начало относится к XVIII веку (работа Бугера, 1740 г. и Ламберта, 1750 г.). Первые количественные измерения оптических характеристик различных сред в интересах диагностики и терапии появились в начале XX века. К этому же периоду следует отнести появление таких новых областей применения оптического излучения, как фотоплетизмография и флюоресцентные методы диагностики -.Изобретение же в 60-е годы лазеров явилось мощным толчком к внедрению аппаратов нового поколения в медицину. Сегодня, пожалуй, нет ни одного направления медицины, где бы не применялись лазеры. Это и хирургия, и терапия, а также стоматология, офтальмология, гинекология, педиатрия и даже ветеринария [5].
Так, например, в хирургии и офтальмологии, где применение лазеров вполне очевидно и наиболее широко представлено, положительный лечебный эффект от воздействия даже низкоинтенсивного лазерного излучения НИЛИ) сегодня не вызывает никакого сомнения. Лазеры широко применяются и в дерматологии для лечения нейродермита, экзем, красного плоского и опоясывающего лишая, рецидивирующего герпеса и т.д. [4].
Основными задачами лазеротерапии в дерматологической практике являются нормализация микроциркулярных, иммунологических и обменных процессов в коже и подлежащих тканях, и, как следствие, уменьшение воспалительных и трофических изменений. Это определяет перспективность лазеротерапии в клиническом лечении кожных заболеваний. Внедрение в клиническую практику новых методов — НИЛИ — позволило добиться положительных результатов при лечении трофических язв.
Лазеротерапия осуществлялась низкоэнергетическим гелий-неоновым генератором («УЛФ-01» с непрерывным режимом излучения, длиной волны 0,63 мкм, выходной мощностью (Р) 11 мВт, поглощенная доза (Б) составляла 0,5 Дж/см3, время облучения (0 на один очаг — 3-5 мин., курс — 8-10 сеансов) и инфракрасный лазер (ИКЛ) («УЗОР» с длиной волны 0,89 мкм, Р= 4 мВт, Б= 0,05 Дж/см3, Р = 1500 Гц, I = 2-4 мин. на 1 очаг, курс -8-10 сеансов). Эффективность лечения повышается при совместном использовании НИЛИ с лекарственными препаратами или другими физическими факторами.
В 2002 г. лабораторией лазерной медицины совместно с отделением дер-
матологии проводилась научно-практическая работа по применению НИЛИ длиной волны 0,89 мкм, и 0,63 мкм в комплексной терапии, больных склеродермией, а также результативное сравнение с ныне существующими методиками лечения больных данной группы с применением одного вида лазерных генераторов. Пролечено 30 больных (возраст — от 20 до 60 лет, женщины, давность заболевания — от 1 до 3 лет) с бляшечной формой склеродермии, которым лазерная терапия проводилась в виде локального воздействия на очаг поражения, а также облучения кубитального сосудистого пучка (неинвазивно). Время в экспозиции на 1 очаг поражения — 3-5 мин.; сеанс — 20-30 мин. (в зависимости от количества пораженных участков), использовался «УЛФ-01» с длиной волны 0,63 мкм. На область кубитального сосудистого пучка время экспозиции 4 мин., использовался ИКЛ (длина волны 0,89 мкм). Общий курс — 10-12 сеансов Р = 150 Гц; Р = 4 мВт.
Больные были разделены на 2 группы по 15 человек. 1-й группе проводили совместное применение НИЛИ («УЛФ-01» и «УЗОР»); 2-я группа больных получала терапию с использованием гелий-неонового (ГН) лазера. Всем пациентам проводили симптоматическую и патогенетическую терапию.
У всех больных, которым проводили сочетанную НИЛИ-терапию, за 3-4 сеанса было отмечено побледнение очагов, к 5-6 сеансу — истончение лилового венчика по периферии, регресс старых высыпаний (особенно тех, которые были замечены больными вначале заболевания), новых высыпаний отмечено не было.
У больных, которым проводили терапию только на пораженные участки, улучшение отмечали к 7-8 сеансу (побледнение очага, не отмечалось новых элементов).
Результаты наших исследований позволяют рекомендовать сочетанное применение ИК-импульсного и ГН-лазерного излучения в комплексном лечении больных склеродермией.
В 2001-2002 гг. было обследовано и пролечено 10 больных с болезнью Рейтера и ее осложнениями.
В отличие от базовой терапии (включающей антибактериальное, имму-нокорригирующее, местное лечение), эффект которой, по данным литературы и нашим наблюдениям, составляет максимум 81%, после применения НИЛИ (разработанная лабораторией лазерной медицины оригинальная методика сочетает в себе применение различных длин волн — 0,89 мкм, 0,63 мкм) отмечают стойкий клинический эффект у 95-97% больных. Исчезновение болевого синдрома, полная иррадикация возбудителя, восстановление эректильной функции, исчезновение воспалительных явлений в предстательной железе, уретре, яичниках и фаллопиевых трубах отмечены на 3-6 сеансе, что говорит о возможном сокращении курса в 2-3 раза. Данное направление является особо перспективным'и актуальным в настоящее время в связи с высокой распространенностью заболеваний, передающихся половым путем.
Однако, несмотря на такое обширное практическое применение лазеров в медицине, общая картина взаимодействия НИЛИ (от ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона длин волн) с биологическими системами далека от завершения в смысле ее строгого научного обоснования
и понимания всех механизмов воздействия лазерного облучения на биологическую ткань.
Как правило, оценку результатов воздействия лазерного излучения на организм проводят с учетом оценки результатов воздействия на него внешней окружающей среды. Примером этому служат научные исследования, проводимые лабораторией лазерной медицины совместно с клиникой педиатрии МОНИКИ. В настоящее время мы часто наблюдаем экологически детерминированные нарушения состояния здоровья детей. Загрязнение окружающей среды достигло сегодня существенных,а во многих районах, и в том числе в Московской области, катастрофических размеров. Пути поступления продуктов загрязнения в организм человека различны. Основными из них являются: воздушный (с воздухом при дыхании), с водой и продуктами. Экопатологическое влияние вызвало увеличение числа различных заболеваний, связанных с проявлением иммунной недостаточности, приводящей к более частым заболеваниям ОРВИ, повторным заболеваниям пневмонией, бронхитами и значительной распространенности аллергических заболеваний, особенно у детей.
Поэтому лабораторией лазерной медицины проводится научно-практическая работа в педиатрической клинике МОНИКИ по применению низкоинтенсивного лазерного излучения в терапии бронхиальной астмы тяжелой и среднетяжелой форм. Поводом для включения в комплекс лечения этого метода была недостаточная эффективность традиционной терапии (задитен, интал, тайлед, кортикостероиды в ингаляциях, препараты теофиллина, бета-2-агонисты), проявляющаяся частыми или тяжелыми приступами астмы, непереносимостью физической нагрузки.
Подавляющее большинство детей (74%) на момент начала лазеротерапии находились в меж- и постприступном периодах заболевания, а 26% больных — в приступном. Нами была разработана, запатентована (патент РФ № 2195250; 2002 г.) и внедрена в педиатрическую практику оригинальная методика сочетанного метода лазерной терапии. Во время курса лечения самочувствие детей было удовлетворительным. В конце курса лазеротерапии у всех отмечалось увеличение пиковой скорости выдоха в среднем от 20 до 100 л/мин. У некоторых больных мы наблюдали данную тенденцию и после одного сеанса лазеротерапии, при этом дети старшего возраста могли отметить субъективное облегчение дыхания. У больных, находящихся в приступном периоде заболевания (26%), на фоне лазеротерапии приступы бронхиальной астмы купировались. Для подтверждения эффекта лазеротерапии функция внешнего дыхания была проведена в динамике до и непосредственно после окончания курса лечения. Выявлено достоверное уменьшение (р<0,001) остаточного объема легких в среднем до 193,6+4,6% - 150,2+4,8% от нормы. У 15% больных значительно уменьшалось аэродинамическое сопротивление выдоха при гипервентиляции. Кожные скарификационные пробы, поставленные в начале курса лазеротерапии у 7 детей, показали исчезновение кожной сенсибилизации к бытовым аллергенам и исчезновение или уменьшение реакции на гистамин в конце лечения.
Среди лабораторных показателей отмечалась следующая положительная динамика:
— в показателях ответной адаптационной реакции in vivo на локальное асептическое воспаление выявлено усиление кооперации клеток моноци-тарно-лимфоцитарной защиты на 3-4%, что характеризует усиление иммунной защиты;
— у 50% больных отмечено уменьшение (до 0,08) эозино-фильно-лимфоцитарного индекса;
— увеличение и тенденция к нормализации сукцинат-дегидро-геназы (СДГ) лимфоцитов (до лечения 71,4 ±0,7 ед. Кеплоу, после лечения - 108,7±6,4, при норме 97,3+4,2 ед. Кеплоу);
— в моноцитограмме у 43% больных выявлено уменьшение «старых» (на 7,1±0,1%), функционально недеятельных моноцитов с одновременным повышением промоноцитов и соответственно моноцитов;
— в дермоцитограмме с места асептического воспаления значительно снижалось содержание продуктов метаболизма — липидных комплексов.
С большим постоянством мы смогли обнаружить изменения в клеточном иммунитете. Из 9 детей, у которых в динамике были проведены исследования Т- и В-лимфоцитов в сыворотке крови, у 3 значительно увеличилось, а у 3 детей уменьшилось количество Т-лимфоцитов, у 5 существенно повысилось содержание В-лимфоцитов. Часто отмечались изменения показателей фагоцитоза: из 9 детей у 4 фагоцитарный индекс по латексу уменьшился и у 1 ребенка повысился; НСТ-тест изменился у всех 10 больных, в основном — в сторону нормы.
Разработанный и запатентованный нами метод лазерной терапии больных бронхиальной астмой (№ 2195250 от 27.12.2002 г.) позволил получить стойкий клинический эффект при уменьшении терапевтических доз на 2-3 порядка, в отличие от рекомендуемых величин, что значительно уменьшает вероятность возникновения нежелательных побочных эффектов. Использование нашего метода позволяет существенно повышать эффективность проводимой общепринятой терапии во время обострения и значительно увеличивать время ремиссии данной патологии. Нельзя не учитывать и экономического эффекта — сокращения койко-дня не менее, чем на 50 % (стандартный курс обследования и лечения составляет 21 день, при применении разработанного нами метода он сокращается до 7-10 дней).
Совместно с сотрудниками педиатрической клиники МОНИКИ начат анализ клинико-лабораторных показателей у детей с респираторными ал-лергозами (аллергические риниты, обструктивные бронхиты) и нейродермитами, получающих курс лазерной терапии как монотерапии. Клиническое улучшение наблюдается у 97% детей после 2-3-го сеанса лазерной терапии, а стойкая ремиссия — после 5-7-го сеанса. Исходя из полученных данных, нами в 2000 г. начата экспериментальная работа по изучению характера физических явлений, возникающих при взаимодействии с кровью лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм, разрабатываются индивидуальные параметры лазерного воздействия.
Продолжается начатая в 1996 г. работа по изучению сочетанного применения импульсного (длина волны 0,89 мкм) и непрерывного (длина волны 0,63 мкм) низкоинтенсивных лазерных генераторов в терапии хронических гастродуоденитов и эрозивно-язвенных поражений верхних отделов желудочно-кишечного тракта у детей.
Проводимые исследования (у 112 детей) показали, что последовательное применение во время сеанса лечебных процедур двух типов лазерных генераторов (ГНЛ «УЛФ-01» с длиной волны 0,63 мкм и ИЮТ «УЗОР» с длиной волны 0,89 мкм) позволяет добиться значительного терапевтического эффекта при меньшей энергетической нагрузке на больного.
Доказательством эффективности методики являются:
— сокращение количества лечебных процедур до 4-6 (рекомендуемое количество процедур 10-12);
— сокращение в 1,5 раза (до 60-120 сек.) времени экспозиции лазерного облучения (рекомендуемое время — 200-240 сек.);
— снижение суммарной дозы облучения и, как следствие, - индивидуальной терапевтической дозы : а) для ИКЛ с длиной волны 0,89 мкм - до 0,05 - 0,02 Дж/см2; б) для ГНЛ с длиной волны 0,63 мкм - до 0,03 - 0,15 Дж/см2.
В 2001 -2002 гг. в лаборатории лазерной медицины проведены исследова-ния по использованию сочетанного метода низкоинтенсивной лазерной терапии алопеции у детей, с применением лазерных генераторов различных длин волн. Анализ клинических результатов, полученных после проведенного курса лазерной терапии по оригинальной методике у 15 детей (6 с тотальной и 9 с очаговой алопецией), позволяет говорить о высокой эффективности данного метода (катамнез в течение 6-12 месяцев показал наличие стойкого клинического эффекта).
Разрабатывается метод лечения аллергических ринитов и аллергодер-матозов у детей с применением гелий-неонового лазерного генератора «УЛФ-01» с длиной волны 0,63 мкм. Стойкий клинический эффект получен после 3-5 процедур (таким образом, время лечения сокращено на 50-70%).
По этим двум направлениям исследования готовится материал для заявки на патентование. Обобщая вышеизложенное, можно сказать о целесообразности дальнейшего продолжения перечисленных экспериментально-теоретических и научно-практических исследований биологического воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения с целью оптимизации и определения индивидуальных параметров, показаний к применению, разработки новых методов лазерной терапии широкого круга нозологических единиц.
Представленные данные свидетельствуют о необходимости корректировки существующих рекомендаций и в части определения времени и дозы лазерного воздействия и, как следствие, сокращения общего количества и времени процедур, то есть уменьшения курса лечения.
Итак, в соответствии с изложенным, мы имеем в своем распоряжении данные о том, что разработка методов, направленных на оздоровление организма человека, невозможна без создания медико-технических устройств, позволяющих, с одной стороны, существенно снизить эффект вмешательства человека в процесс достижения необходимого клинического эффекта, а с другой, - добиться снижения стоимости как самих устройств, так и конкретных процедур, средней продолжительности кой-ко-дня; простоты самих процедур (вплоть до их отпуска непосредственно в палате).
Именно поэтому в МОНИКИ совместно с ИВТ РАН РФ при поддержке администрации возникла идея разработки медико-технических требований и на их основе создания медицинских лазерных приборов нового поколения.
Понимая, что в перспективе в одном строю с УЗИ-диагностикой, рентгеном и ядерно-магнитной томографией будет применена и оптическая диагностика в комплексе с решением задач терапии, хирургии и т.д., в МОНИКИ была разработана идеология применения когерентных и некогерентных оптических устройств для решения задач диагностики [3,7].
Эта идеология позволяет на основе биофотометрических измерений, оптического спектрального анализа высокой степени разрешения (ширина спектра от долей ангстрема) контролировать, распознавать и в последующем воздействовать на физиологические и патофизиологические процессы в различных тканях человека, его крови и т.д.; определять параметры периферического кровообращения, наличие и степень тяжести воспалительных процессов, возникающих в тканях человека, в том числе онкологических, ожоговых, гнойных, а также других процессов; оценивать функционирование вегетативной нервной системы и т.д. Не исключено, что в будущем методом лазерного спектрального анализа будет определяться полный биохимический и клеточный состав крови.
Однако на данном этапе еще очень много нерешенных задач (научных, инженерно-технических и медико-биологических проблем). В первую очередь, достоверность и информативность всех разработанных методов диагностики, терапии и хирургии недостаточно высоки. Часто результаты разных методов противоречат друг другу [4, 6], что является следствием различия идеологий получения образования в медицинских, химико- и биотехнологических, а также физико-математических подразделениях, специализирующихся на новом поколении специалистов, решающих проблему достижения совершенно новых результатов в области медицины.
На прежнем уровне остаются такие проблемы, как недостаточность изученности биохимических, микробиологических и молекулярных механизмов изменения оптических характеристик биообъектов при различных органических и функциональных изменениях в тканях и органах для конкретных нозологий. Более того, врачи, в силу совершенно другой специализации (относительно физики и математики), очень неохотно используют терминологию оптики и фотометрии. К сожалению, их целью являются не фундаментальные исследования по оптике биотканей (особенно живых), а получение дополнительной информации, которая достоверно позволяет вырабатывать стратегию и тактику лечения больного и объективно контролировать этот процесс на данном уровне познания.
Именно поэтому, как правило, все существующие методы исследования и лечения страдают отсутствием общего системного подхода к проблеме обобщенного биофизического, биохимического и физико-математического фундамента исследований. Проведенные до настоящего времени исследования страдают отсутствием общего идеологического и системного подхода к проблеме оценки результатов полученных в процессе лечения.
Прослеживается явный характер частичных, теоретических, выборочных, прикладных, в основном — экспериментальных исследований. Публикуемые оптические характеристики биотканей обычно являются результатом выборочных измерений, а не научно обоснованных систематических исследований. Зачастую используется разная терминологическая и метрологическая база. Не развит единый методический подход к исследованиям и натурным измерениям для решения задач терапии и особенно диагностики. Разные оптические и медицинские понятия разными авторами обозначаются одними и теми же терминами. Поэтому существующий статистический анализ полученных результатов противоречив, как и сегодняшние данные литературы по лазерной терапии. Эти недостатки не позволяют специалистам в области лазерной медицины использовать и половины полученных данных при разработке методических рекомендаций и медико-технических требований, предъявляемых к созданию медицинских приборов нового поколения.
Все это делает проводимые исследования трудносопоставимыми и не позволяет получить общие фундаментальные результаты. Возможно, именно поэтому сегодняшние данные литературы, в частности по лазерной терапии, очень противоречивы, слабо научно обоснованы и зачастую сильно упрощены.
Анализ изложенных данных подсказал нам перспективность и возможность более общего подхода к проблеме оптики биотканей, и в том числе -лазерной диагностики.
В соответствии с программой лазерной оптической диагностики (ЛОД) были разработаны и созданы макетные образцы лазерно-диагностической аппаратуры. Работы выполнялись при тесном сотрудничестве с ведущими российскими предприятиями: НПО «ПОЛЮС», МГИЭМ, ОНЦ РАН, ИВТ РАН, а также с коллективом Калифорнийского университета США, занимающимся проблемами биомедицинской технологии.
В последующем на базе разработанного макета многофункционального клинико-диагностического комплекса «Марта», демонстрирующемся на Международной выставке «LIC Russia,97» и на выставке в Государственной Думе РФ в апреле 1997 г., лабораторией лазерной медицины совместно с ОНЦ РАН, ИВТ РАН, был разработан и запатентован прибор "Биофотометр" — спектроанализатор нового поколения для лечения и диагностики (патент РФ № 214364 1999 г.).
Фотометр-спектроанализатор предназначен для решения комплекса медицинских и технических задач: 1) ранняя диагностика воспалительных процессов; 2) флуоресцентная диагностика опухолей и контроль фотодинамической терапии; 3) определение степени накопления фотосенсибилизатора в органах пациента доступных для приемного устройства прибора; 4) контроль процессов лечения и выздоровления в физиотерапии, проведение физиотерапевтических воздействий; 5) определение параметров кожных покровов в косметологии и дерматологии; 6) контроль элементного состава материалов в различных отраслях промышленности. Кроме того, прибор позволяет проводить диагностическое обследование при минимальных дозах вводимого фотосенсибилизатора и при минимальных мощностях возбуждающего лазерного излучения (12 мВт), то есть снизить дозу препарата в
5-10 раз относительно терапевтической и, что особенно важно, не вызывать в процессе флуоресцентного обследования необратимых фотодинамических повреждений.
Устройство позволяет определять спектрофотометрические характеристики тканей для оптимизации процессов высокоинтенсивных воздействий на живые объекты (лазерная сварка и резка), проводить лазерную терапию воспалительных процессов и контролировать ход лечения и выздоровления. Прибор оказывает низкоинтенсивное воздействие на организм на длине волны зондирующего излучения 0,65 мкм. Приемное устройство определяет интенсивность обратного рассеяния (аналог отражения отражающих поверхностей) на длине волны 0,65 и параметры стимулированное флуоресцентного излучения на длинах волн вынужденной или автофлуоресценции (0,65 — 0,8 мкм). Наличие сканирующей системы дает возможность определять интенсивность обратного рассеяния биологических тканей из всего рассеивающего объема, получать параметры индикатрисы рассеяния. Прибор может работать в автономном режиме или в режиме управления с персонального компьютера. Специальное программное обеспечение доступно в использовании.
Наше аппаратное решение позволяет расширить рамки применения прибора и сделать его доступным для широкого круга медицинских учреждений.
В настоящее время проводятся клинические испытания прибора в МОНИКИ. После их завершения планируется получение разрешения МЗ РФ на серийное производство прибора, организацию производства и проведение метрологической аттестации.
Существует несколько направлений использования лазерного излучения в медицине. Это задачи диагностики, внутритканевой термотерапии, мало-инвазивной хирургии и терапии, хирургии и фотофореза. Широко применяется лазерное излучение в онкологии. Успешность лечения в значительной степени зависит от правильного определения дозы излучения, необходимой для воздействия на весь объем опухоли. Дополнительным условием является необходимость обезопасить прилегающие к опухоли нормальные ткани от поражения в процессе лечения. При этом, оптические свойства образцов тканей in vivo отличаются от оптических свойств, полученных при измерениях in vitro или post mortem образцах. Для диагностики, построения адекватной модели объекта, определения параметров лазерного излучения и времени воздействия и последующей терапии требуется четкое представление о взаимодействии лазерного излучения с биотканями. Для этих целей проводятся исследования спектральных коэффициентов отражения, пропускания и поглощения. Знание этих коэффициентов позволяет определять глубину проникновения лазерного излучения и распределения дозы излучения по объему.
Биологическая фотометрия - достаточно новый раздел прикладного оптического материаловедения, связанный с исследованием оптических характеристик биологических тканей. Обнаружившаяся в процессе исследований возможность использования оптических параметров в качестве диагностических, например, при воспалительных (онкологических) процессах, заметно активизировала научно-исследовательские и опытно-тех-
нологические работы. Одновременно это поставило вопрос о необходимости разработки принципов проведения диспансеризации по оптическим параметрам.
В основе экспериментальной биоспектрофотометрии лежит тот факт, что все органические белковые структуры (ферменты, коферменты, их растворы и т.п.), входящие в системы окислительного метаболизма, обладают характерными оптическими спектрами поглощения, отражения, рассеяния и люминесценции, в окисленном и восстановленном состояниях. Соотношение окисленных и восстановленных форм компонентов исследуемой системы, их концентрация в исследуемой области в конкретный момент времени определяются функциональной активностью различных клеток тканей и органов, в том числе в немалой степени и клеток крови.
При взаимодействии оптического (лазерного) излучения с биологической тканью происходит преобразование интенсивности (отражение, поглощение, пропускание), спектра (перекачкачасти зондирующего излучения в спектр флюоресценции в зависимости от концентрации флюорох-ромов), поляризации (в рассеивающей среде векторный характер волн проявляется как возникновение поляризации или как деполяризация излучения). Также происходит преобразование когерентности (потеря когерентности при рассеянии света в случайно неоднородной среде с многократным рассеянием или появление когерентной узконаправденной компоненты в обратнорассеянном излучении). Это позволяет сформулировать биофотометры как приборы с пассивным (интенсивность) и активным (спектр, поляризация) преобразованием излучения.
На сегодняшний день большой фактический экспериментальный материал получен при исследовании отражения (прохождения) излучения от биоткани. Причем, специфика биоткани как отражающей среды (рассей-вателя) заключается в наличии большой доли объемного рассеяния, что является причиной распространения значительной части излучения в обратном направлении (обратное рассеяние). В результате в пространстве отражения формируется оптический сигнал, обусловленный суперпозицией излучения, отраженного от границы раздела биоткань-среда (воздух), и обратного рассеяния (объемное рассеяние).
В настоящее время проводится интенсивное изучение механизма позитивного (и негативного) действия лазерного излучения и условий его проявления с целевой направленностью на его возможное клиническое применение для диагностики, лечения и профилактики заболеваний. Используемые для этих целей биофотометры обладают целым рядом недостатков. В силу неопределенности измерения коэффициента отражения биологических объектов, оптические характеристики указанных объектов определяются некорректно и неоднозначно. Как правило, основным интегрирующим элементом различных конструкций биофотометров является интегрирующая сфера. Геометрические параметры обратнорассе-янного пучка излучения не постоянны и зависят как от параметров зондирующего излучения, так и от характеристик рассеивающей среды. Отсутствие регулировки входного отверстия сферы исключает возможность ее правильной реализации. Существующие типы биофотометров не мо-
гут измерять коэффициенты отражения на длинах волн автофлуоресценции. Требования к внутреннему покрытию биофотометра не позволяют одновременно измерять коэффициенты отражения на длине волны зондирующего излучения и сопутствующих информативных длинах волн биологических объектов.
На первом этапе экспериментальных исследований в обоснование оптимальной длины волны зондирующего излучения измерялись интенсивности отраженного биотканью излучения на длине волны гелий-неоново-го лазера (длина волны — 0,63 мкм). Результаты измерений показаны на рис. 1. Как видно из рисунка, наряду с отражением на основной длине волны (0,63 мкм) имеются пики на длинах волн - 0,707, 0,724 и 0,76 мкм. Нелинейная (автофлюоресцентная) компонента имеет достаточно протяженную спектральную область - 0,645 - 0,9 мкм, (причем, не ясен ее ход в области длин волн менее 0,645 мкм).
Были проведены измерения коэффициента отражения на том же фрагменте биоткани, но с использованием полупроводникового лазера с длиной волны 0,688 мкм. В спектре отражения присутствует только основная длина волны — автофлюоресценция не наблюдается. Очевидно, это обусловлено узкоселективным откликом биоткани на длину волны зондирующего излучения. В результате воздействия на биоткань суммарного излучения — 0,63 мкм и 0,6885 мкм было получено, что эффект воздействия аддитивен. Все характерные особенности спектров отражения указанных выше лазеров были отмечены и при исследовании спектров отражения на эталоне.
Рис. ]. Спектральное распределение лазерного излучения в объекте
В основе биофотометра лежит фотометрическая головка с подстраиваемым углом зрения. Оптимальной конструкцией полостного приемника (искусственное абсолютно черное тело) для биофотометра можно считать сферу или цилиндр. При создании биофотометра решалась задача получения равномерного светозаполнения объема приемного устройства (исключение "горячих" и "холодных" внутренних точек). Анализ показывает, что полостные приемники с высокими характеристиками могут быть получены при отражательной способности внутренней поверхности порядка 0,6-0,7. Оптимальным представляется внутреннее покрытие для полостного приемника, выполненное из Ва804.
Степень совершенства приемного устройства определяется величиной среднего коэффициента светимости отверстия приемника со стороны внутренней поверхности приемника, зависимость которого от отношения 80/8с (50— площадь отверстия приемника, Бс- площадь внутренней поверхности приемника). Конструкция типа интегрирующей сферы не имеет решающих преимуществ по сравнению с цилиндрическим приемником (различия составляют лишь несколько процентов), но технологически существенно сложнее. В этой связи в качестве основной была выбрана цилиндрическая форма, причем получено отношение 80/8с порядка 6. Отличительной особенностью данной конструкции является управляемая диафрагма, диаметр открытия которой соответствует оптимальным условиям измерения и позволяет определять геометрические размеры обратно-рассеянного пучка. Геометрические размеры обратнорассеянного пучка несут в себе информацию о рассеивающих свойствах объекта и должны учитываться как оптические характеристик исследуемой среды. Предусмотрено пошаговое управление диафрагмой — по команде пользователя и в режиме автоматической подстройки. Движение диафрагмы обеспечивает шаговый двигатель. Для равномерного светозаполнения объема фотометрического цилиндра использована светорассеивающая пластина, что позволило уменьшить размеры приемного устройства.
Источником излучения прибора является встроенный полупроводниковый лазер с длиной волны 0,63 мкм. Излучение лазера по световоду, проходящему по оси симметрии фотометрического цилиндра, доставляется на поверхность исследуемого объекта. Прибор фиксирует интенсивность излучения, рассеянного в обратном направлении посредством фотоприемных устройств в заданном спектральном диапазоне. В оптической головке установлено 5 лавинных фотодиодов, оснащенных интерференционными светофильтрами на длинах волн 0,703; 0,715; 0,752; 0,783; 0,797 мкм и 1 фотоприемник, принимающий обратнорассеянное излучение во всем исследуемом спектральном диапазоне, и имеющим максимум полосы пропускания в районе длины волны 0.63 мкм. Значения длин волн для измерения выбирались так, чтобы аппроксимировать характерную кривую спектрального распределения, полученную ранее (рис. 1). Каждый фотоприемник снабжен усилительным каскадом. Такая схема обеспечивает измерение слабых потоков оптического излучения на длинах волн автофлуоресценции. Использование данных фотодиодов позволяет получать функциональное распределение автофлуоресценции, по которому можно определять некоторые свойства воспалительных процессов в биотканях.
Для использования биофотометра в клинической практике предусмотрена сменная антисептическая прокладка, имеющая непосредственный контакт с исследуемым объектом, позволяющая достигать наиболее плотного прилегания фотометрической головки к исследуемому объекту.
Прибор работает следующим образом. На исследуемую биоткань устанавливается оптическая головка. Зондирующее лазерное излучение по световоду доставляется на поверхность исследуемого объекта. Обратнорассеянное и возбужденное флуоресцентное излучение объекта фиксируется фотоприемниками. Сигнал с фотоприемников через АЦП и управляющий блок передается на интегрированную микроЭВМ. Результаты измерений
выводятся на встроенный ЖК экран, необходимые результаты можно сохранять и выводить на печать через подключаемый к устройству принтер. Предусмотрена возможность подключения персонального компьютера. Блок управления управляет оптической головкой. Внешнее управление, обработка данных осуществляются программно, либо посредством собственной микроЭВМ, либо посредством подключаемого к прибору персонального компьютера.
Испытания устройства были проведены на базе МОНИКИ. Биофотометром были измерены оптические характеристики тканей in vivo. Как характерные представлены результаты измерений, полученные на тканях больного раком кожи. Биофотометр помещали в 4 выбранные зоны, показанные на рис. 2. Зондирующее излучение доставлялось в центр зоны, данные принимались интегрально со всей площади пучка обратнорассеянного излучения. Зона 2 полностью перекрывала очаг заболевания, который занимал порядка 70% от площади сканирования, зондирующее излучение дос-
1,2
0,8 ^
0,6
0,7 0,75
wavelenght, mkm
-1 • 2 —л—3
4
Рис. 2. Зоны измерения в эксперименте
тавлялось в центр зоны поражения. Зоны 1 и 3 частично захватывали очаг заболевания, которое занимало не более 15% от площади сканирования, зондирующее излучение доставлялось в непораженную зону. Зона 4 была выбрана как интактная, находящаяся на значительном расстоянии от больного участка.
Полученные усредненные результаты измерений в относительных единицах представлены на рис. 2. Для наглядности и подобно спектральному распределению, представленному на рис. 1, интенсивность излучения, принятого на длине зондирующего импульса, уменьшена в 100 раз. Для каждой зоны проделано 6120 измерений. Характерно, что распределение, полученное в зоне 2, имеет более высокие значения интенсивности, в отличие от результатов, полученных в других зонах. Спектральное распределение в зоне 2 хорошо согласуется с ранее проведенными исследованиями и подобно распределению, приведенному на рис. 1. Погрешности измерения прибора не превышают 3% и складываются из погрешностей усилительного тракта и его стабильности, погрешности АЦП, погрешностей, вносимых изменением параметров электронных компонентов от изменения температуры.
Впервые разработано устройство для калибровки медицинских диагностических спектрофотометрических приборов, которое, по сравнению с традиционной калибровкой по фторопласту, использует не менее 4 ячеек, содержащих флуоресцирующий органический краситель и закрываемых сверху фторопластовой пластиной. Концентрация красителя — в 1 ячейке составляет 10"5 моль/л, а в каждой следующей ячейке она повышается на 24,5-25,5% по отношению к предыдущей. Это позволяет осуществить калибровку практически во всем реальном интервале интенсивности флуоресцирующей биоткани.
Лазерное излучение обладает достаточно широким спектром действия на организм. На клеточном уровне — это специфическое фотодействие света на мембранные комплексы и межклеточные контакты, приводящие к увеличению пролиферативной активности клеток. На уровне органов включаются механизмы межтканевых взаимодействий, среди которых ведущая роль принадлежит системе микроциркуляции крови. Фотоактивация рефлексогенных зон и точек акупунктуры ведет к вовлечению в рефлекторный ответ организма нервных и гуморальных (координация биохимических процессов в организме через жидкие среды) механизмов регуляции, что достаточно точно идентифицировано по ультраструктурным изменениям в нервной и гуморальной системах.
Основные преимущества низкоинтенсивной лазерной терапии: нетрав-матичность; высокая эффективность; применимость в амбулаторных и полевых условиях; отсутствие аллергических реакций; ограниченный круг противопоказаний; отсутствие побочных эффектов.
Преимуществами лазерных систем являются:
1. Временная когерентность излучения или узкая флуктуационная ширина линии.
2. Пространственная когерентность или возможность острой фокусировки пучка.
3. Высокая спектральная яркость.
4. Перестраиваемость частоты и длины волны.
5. Возможность генерации коротких и сверхкоротких импульсов с длительностью вплоть до нескольких фемтосекунд.
6. Возможность управления степенью и формой поляризации зондирующего излучения.
В связи с теми преимуществами, которыми обладают лазерные системы и лазерные технологии, необходимость их развития и совершенствования очевидна. Биофотометры должны формулироваться как класс приборов, предназначенных для диагностики, лечения и исследований оптических свойств биотканей. В некоторых случаях биофотометры выступают в роли приборов «сопровождения»: например, в лазерной хирургии — для оперативного выбора оптимальных мощностей лазерных скальпелей.
В качестве исследовательской аппаратуры биофотометры могут использоваться для измерений индуцированной внешним подсветом (лазерным или некогерентным) люминесценции биологических тканей (в широком спектральном диапазоне), а также биохемилюминесценции, энергию которой поставляют специфические эндогенные (внутреннего происхождения) химические и биохимические реакции, что в дальнейшем может быть использовано для диагностики. Последний тип свечения весьма мал, но высокая чувствительность разработанных в МВТ РАН биофотометрических фотоприемных устройств позволяет его фиксировать. Например, основными энергетическими субстратами (химвещество, подвергающееся превращению под действием фермента) свечения в видимом диапазоне являются жиры и липиды, причем последние являются одним из основных компонентов биологических мембран. Наиболее перспективными являются «панорамные» биофотометры, позволяющие получать изображения участков биологической ткани с последующей обработкой изображения. В результате могут быть получены спектральные и энергетические портреты биотканей, что дает возможность сформулировать и реализовать новые типы диагностических систем. В частности, авторам удалось, используя дифракционную фильтрацию, получить новые данные о структуре биотканей.
Развитие комплексного лазерного аппаратостроения, судя по всему, должно происходить по следующим направлениям:
1) портативные и автономные лазерные установки (биофотометры, спек-троанализаторы и др.);
2) универсальные стационарные многофункциональные устройства, включающие, обычно, несколько типов лазеров (на разные длины волн в стационарном и(или) частотном режиме), содержащие, в том числе, биофотометрический канал;
3) узкоспециализированные лазерные установки, направленные на достижение максимального результата при лечении одного заболевания или проведение процедуры одного типа (с обязательной регулировкой выходной мощности излучения). Здесь также необходим диагностический биофотометрический канал.
Необходимо отметить и возможности фотодинамической терапии (ФДТ) для лечения неопухолевых заболеваний. Основанием для использования ФДТ при лечении неопухолевых заболеваний являются данные об избирательном накоплении и длительной задержке фотосенсибилизаторов быст-роразмножающимися клетками и тканями с высокой пролиферативной активностью. К неопухолевым заболеваниям с быстрой клеточной пролиферацией, для которых разрабатываются методики ФДТ, относятся эндо-
метриоз, псориаз, фиброзно-клеточная гиперплазия (увеличение числа структурных элементов тканей) эндотелия (внутренние клетки, выстилающие стенки сосудов) сосудов и др. (Nelson J.S. Калифорнийский университет, США, 1995; Hruza L., Liu Н. Вашингтонский универсистет, США, 1995 и др.).
Регистрация в различных спектральных диапазонах спектра, отраженного от биологических тканей лазерного или некогерентного излучения, позволяет решить многие вопросы в области диагностики и лечения воспалительных заболеваний, травматических повреждений с учетом определения адекватной дозы используемого излучения. Аналогичная задача решается в практике лазерной хирургии, что позволяет определить биофотометр как необходимый прибор для сопровождения операционного процесса. Кроме того, сегодня практически не производится точного определения поглощенной дозы лазерного излучения при сеансах лазерной терапии. В основном, экспозиция воздействия при проведении лечебных процедур ограничивается пределами 5-10 минут, при этом индивидуальные особенности пациента («оптическая» карта) и характер очага патологии во внимание не принимаются.
Изучение оптических свойств биологических тканей в норме и патологии и использование полученных результатов на практике открывают широкие возможности не только для повышения эффективности лазерной терапии, но и в области диагностики — контроль процесса выздоровления и диагностическое сопровождение других методов лечения (лазерная хирургия и др.).
Далее, регистрируя отраженное излучение от поверхностных слоев кожных покровов, можно определить поглощенную дозу излучения. Но сюда же входит и световой поток, отраженный более глубокими слоями ткани. Для диагностических целей желательно измерять величину излучения, отраженного от глубоких слоев, поскольку обычно очаги воспаления или травматические повреждения наиболее часто локализованы именно там. Но, даже при расположении очага воспаления на поверхности кожи, он не ограничивается только слоями эпидермиса и дермы, следовательно, при этом обязательно будут изменяться оптические свойства более глубоко лежащих тканей, что необходимо учитывать при проведении сеансов лазерной терапии. Аналогичная задача имеет место и в лазерной хирургии, когда необходимо осуществлять разрез биологических тканей различных типов, что также требует оптимизации мощности излучения лазерного скальпеля. А это, в свою очередь, требует знания оптических характеристик различных слоев тканей.
Таким образом, биофотометр дает информацию (при реализации соответствующего управления излучением) об оптических свойствах поверхностных и глубинных слоев биоткани, что в сочетании с повышенной разрешающей способностью (за счет использования управляемой диафрагмы) и чувствительностью регистрирующего фотоприемного устройства позволяет с большой достоверностью определять наличие очага патологии, расположенного на глубине нескольких сантиметров от поверхности кожных покровов.
Регистрация коэффициентов отражения излучения не только от поверхностных, но, что особенно важно, и от глубоко расположенных тканей организма в значительной степени поможет врачу в диагностике и лечении заболеваний воспалительной этиологии (причины) и травматических повреждений. Речь идет не об идеализации оптической биофотометрии, а о комплексном использовании различных методов (где биофотометрия займет достойное место). Это в значительной степени будет повышать достоверность диагностики и облегчать лечение различных заболеваний.
Кроме того, следует отметить, что диагностика осложнений, развивающихся после операции на органах брюшной полости, остается одной из наиболее сложных проблем хирургии (особенно в условиях сельской местности). Поэтому разработка новых методов диагностики послеоперационных осложнений и прогнозирования течения гнойно-воспалительных процессов в брюшной полости и ее стенки в условиях областных и районных больниц является весьма актуальной. С помощью биофотометрического метода удается определить локализацию воспалительного процесса в брюшной полости, что даст возможность проводить дифференциальную диагностику между воспалительными и невоспалительными заболеваниями брюшной полости. Биофотометрический метод является достаточно достоверным и позволяет прогнозировать гнойно-воспалительные процессы в брюшной полости и ее стенке, а также развитие осложнений в послеоперационной период. Этот метод можно с успехом рекомендовать для применения в повседневной медицинской практике наряду с рентгенологической и ультразвуковой диагностикой.
Именно поэтому ИВТ РАН и МОНИКИ на основании многолетних исследований оптических характеристик биотканей разработали и создали автономный малогабаритный, простой в эксплуатации макетный образец биофотометра, ориентируясь на широкое применение в условиях районных (сельских) больниц, а также в амбулаторных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров М.Т. Разработка методов лазерной биофотометрии для лечения и диагностики хирургических заболеваний. /Автореф. докт.дис. — М., 1992.
2. Александров М.Т, Барыбин В.Ф., Барыбин М.В. идр. Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний. Научно-информационный сб. (Прил. кбюлл.: Лазеринформ). -М„ 1996.
3. Александров М.Т., Барыбин В.Ф., Рогаткин Д.А. и др. /Лазерные технологии - 95. Тез. докл. Международной конференции. - Шатура, 1995.
4. Илларионов В.Е. Основы лазерной терапии. - М., 1992.
5. Романов Г.А., Александров М.Т., Барыбин В.Ф. и др. Лечебная эндоскопия с применением лазерного излучения в комплексной терапии эрозивно-язвенных поражений верхнего отдела желудочно-кишечного тракта./Метод. реком. — М., 1997.
6. Тучин В.В. //Лазерная физика. - М. 1994 - Вып.З. - С.93-102.
7. V.F. Barybin, A.S. Varavva, M.U. Gerasimenko et al. Experimental investigation of penetration depth of laser light influence on distribution of ascgattered radiation intensityll Lasers for medicine biology and ecology. — St.-Pt., 2001.
