CC BY
378
Терагерцевая кремниевая наноэлектроника в медицине
Н. Т. Баграев,
д. ф.-м. н.
Л. Е. Клячкин,
к. ф.-м. н.
А. М. Маляренко,
к. ф.-м. н.
Б. А. Новиков,
генеральный директор
ООО «Дипольные структуры»
e-mail: office@dipolestructures.ru
Инфракрасное и терагерцевое излучение начинает все интенсивнее использоваться при создании новых типов диагностической медицинской аппаратуры, охранных и контролирующих систем, используемых, в частности, в рамках антитерро-ристических программ. Однако в последнее время становится ясно, что инфракрасное излучение, модулированное в терагерцевом диапазоне, представляет интерес при создании приборов для терапевтического лечения и профилактики различных заболеваний, поскольку большинство важнейших биохимических реакций в человеческом организме может быть оптически стимулировано именно в этом частотном интервале электромагнитного излучения. Разработанный для практической
реализации этих задач аппарат «ИК-Диполь» генерирует излучение дальнего ИК диапазона с длинами волн 1-56мкм с терагерцевой модуляцией 40 ГГц - 3,5 ТГц во всем спектре излучения. Основой для создания данного прибора стала разработка блока гибких технологических процессов в рамках кремниевой планарной нанотехнологии. Дальнейшее развитие данного направления кремниевой опто- и наноэлектроники позволило разработать и изготовить установку «Инфратератрон», с помощью которого оказалось возможным лечить ожоги большой площади в сочетании с антишо-ковым воздействием, а также тяжелые формы демиелинизирующих заболеваний центральной нервной системы.
Ключевые слова: инфракрасное и терагерцевое излучение, оптическое стимулирование биохимических реакций, физиотерапия, аппарат «ИК-Диполь», установка «Инфратератрон».
Введение
Терагерцевое излучение (ТГц) или «терагерцы» охватывает широкий диапазон спектра электромагнитного излучения между 100 ГГц и 30 ТГц (длина волны излучения приблизительно от 3 мм до 10 мкм). Этот диапазон граничит с микроволновым диапазоном и простирается на дальний и средний инфракрасный (ИК) диапазоны (рис. 1).
Еще совсем недавно для того, чтобы генерировать терагерцевое излучение, необходимо было исполь-
зовать громоздкую и дорогостоящую аппаратуру, подобную лазерам на свободных электронах, лампам бегущей волны (ЛБВ) или термическим источникам слабого некогерентного излучения. Детектирование те-рагерцевого излучения было очень непростой задачей и требовало охлаждаемых жидким гелием болометров с низким уровнем шума. Поэтому отсутствие надежно работающих источников и детекторов привело к тому, что эта область спектра в литературе получила обозначение как «терагерцевая щель (запрещенная зона)». Интересно, что «терагерцевая щель» проявля-
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения
ется в спектре пропускания земной атмосферы — так называемых атмосферных окнах (рис. 2); т. е. терагер-цевая составляющая спектра космического излучения полностью поглощается в земной атмосфере. Однако в последнее время прогресс в области нанотехнологии полупроводников и сверхпроводников сделал возможным получение твердотельных приборов, которые способны излучать и детектировать в терагерцевом диапазоне длин волн [1, 2]. Таким образом, прежде недоступная область спектра стала реально достижимой и таит в себе огромный потенциал для применения в современной науке, особенно в медицине.
Терагерцевые кванты имеют намного меньшую энергию, чем рентгеновские, и не представляют ионизационной опасности для биологических тканей. На первый взгляд может показаться нереальным, что чрезкожное облучение светом дальнего инфракрасного диапазона может стимулировать терапевтический эффект, поскольку на глубине несколько сотен микрон от поверхности кожи его интенсивность ослабляется в тысячу раз. Однако, как будет показано ниже, даже проникающее излучение мощностью десятки-сотни нВт эффективно воздействует на ход важнейших биохимических реакций. Особенно следует подчеркнуть практически беспрепятственное прохождение тера-герцевого излучения через костную ткань. Кроме того, терагерцевое излучение возбуждает вращательные и колебательные моды белков, связи внутри которых «трясутся» в терагерцевом частотном диапазоне [3].
Очевидно, что, несмотря на некоторые трудности, терагерцевые излучатели являются весьма перспективной заменой рентгеновским аппаратам не только в медицине, но и в системах охраны и обеспечения безопасности, например в аэропортах, вокзалах и т. п.
Наибольший интерес для непосредственного терапевтического воздействия на биологические ткани представляет сочетание терагерцевого и ИК-излучения, поскольку ИК-излучение может стимулировать важнейшие биохимические реакции в человеческом организме, тогда как терагерцевая
составляющая излучения обеспечивает резонансный эффект данного воздействия вследствие отмеченной выше «тряски» связей в белковых молекулах. Это сочетание можно реализовать абсолютно аналогично широко применяемому в радиотехнике принципу синхронного детектирования в диапазоне радиоволн, при котором коротковолновое излучение (высокая частота) модулировано длинноволновым излучением (низкая частота). Понятно, что в случае оптического диапазона длин волн более коротковолновое ИК-излучение должно быть модулировано более длинноволновым терагерцевым излучением. Преимущества такого симбиоза очевидны, но до последнего времени техническая реализация источников с подобными характеристиками была практически невозможной. Однако разработанная авторами данной статьи группа гибких кремниевых нанотехнологий позволила создать эффективные ИК-излучатели в широком диапазоне длин волн с терагерцевой модуляцией во всем спектре излучения. Перспективам применения этих приборов в практической медицине посвящена данная статья.
1. Механизмы воздействия инфракрасного и тера-герцевого излучения на биологические объекты
В настоящее время известно большое число работ, посвященных влиянию ИК-излучения на организм человека, но все они ограничиваются чисто тепловыми эффектами. Как правило, в этих исследованиях
Излучение, ккал/м2/ч / мкм/102
15
10
Излучение,
ккал/м2/ч/мкм
^ \ солнце
► кожа _ человека
/ -
1, И.І
1,5
1,2
0,9
0,6
0,3
0,0
0,1
1,0
10,0 Длина волны, мкм
Рис. 2. Спектр пропускания земной атмосферы
Рис. 3. Спектральное распределение солнечного излучения, достигающего земной поверхности в ясный день (солнце находится в зените), и излучение кожи человека (Т=32°С) в окружающую среду, находящуюся при Т=20°С
Излучение,
ккап/м2/ч/мкм
Длина волны, мкм
Рис. 4. Спектральное распределение термического излучения кожи руки и экспериментального черного тела
используется широкий спектр ИК-излучения нагревательных ламп ближнего ИК-диапазона, максимум спектральных характеристик которых находится вблизи длины волны Я « 1мкм. Однако, данное излучение человеческое тело в изобилии получает от солнца. Поэтому, для того чтобы оценить медикоментозное влияние инфракрасного излучения в зависимости от длины волны, прежде всего необходимо провести сравнительный анализ спектральных распределений солнечного излучения и излучения человеческого тела во внешнюю среду.
На рис. 3 показано спектральное распределение солнечного излучения, которое достигает земной поверхности в солнечный день. Для сравнения приведено также распределение излучения человеческого тела (при температуре кожного покрова 32°С) во внешнюю среду с температурой 20°С [4].
Левая энергетическая шкала соответствует солнечному излучению, правая — излучению человеческого тела. Во-первых, следует отметить значительное отличие величин суммарной энергии, которая определяется площадью под кривыми спектральных зависимостей. Для солнечного излучения она достигает приблизительно 800 ккал/м2/ч на поверхности перпендикулярной солнечным лучам, тогда как полное излучение с поверхности человеческого тела, измеренное в лабораторных условиях, составляет не более чем 20 ккал/м2/ч. Во-вторых, следует отметить, что две кривые лежат в совершенно разных областях спектра, которые практически не перекрываются. Большей частью основной вклад в солнечную энергию, которая достигает земной поверхности, вносит излучение с длинами волн в интервале от 0,3 до 2,8 мкм. При этом значительная часть ультрафиолетового и инфракрасного излучения либо поглощается, либо фильтруется атмосферой. Расчет спектрального распределения излучения человеческого тела показывает, что оно почти полностью лежит в интервале длин волн от 3 до 40 мкм с максимумом в районе 9,5 мкм, что хорошо согласуется с данными эксперимента по регистрации инфракрасного излучения с поверхности человеческого тела [4] (рис. 4).
Рис. 5. Спектральное распределение света (средние значения), отраженного кожей европеоида и негроида
Отмеченное отличие спектральных кривых излучения Солнца и кожи человека делает необходимым изучение отражательной способности и пропускания человеческого тела в двух спектральных диапазонах, а именно, в видимом и ближнем ИК-диапазонах (0,3-3,5 мкм) и в инфракрасной области от 3,5 до 40 мкм. В видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра измерение диффузного отражения от поверхности человеческого тела затруднено, так как в этой спектральной области кожа человека почти прозрачна, и излучение отражается от очень неоднородных слоев в дермисе и эпидермисе. Тем не менее, были получены воспроизводимые спектры отражения излучения поверхностью тела европеоида и негроида, которые представлены на рис. 5 [4].
Полученные данные показывают, что значительная часть солнечного излучения отражается от поверхности человеческого тела, тогда как инфракрасное излучение, лежащее в спектральном диапазоне излучения его кожного покрова (от 3,5 до 40 мкм), проходит на глубину до нескольких сантиметров, хотя, как отмечено выше, значительно ослабляется. Именно данный спектральный диапазон ИК-излучения играет важнейшую роль в жизнедеятельности и развитии человеческих клеток. Поэтому особенно важно изучение механизмов влияния ИК-излучения с длинами волн 3,5-56 км на процессы энергетического обмена в клетках, которые основаны на биохимических реакциях катаболизма и анаболизма. В анаболических реакциях происходит синтез необходимых клетке биохимических веществ (белков, углеводов, жирных кислот и т. д.), а в реакциях катаболизма — разложение сложных веществ, поступивших в организм с пищей. Было обнаружено, что облучение организма ИК-светом энергии 0,02-0,3 эВ приводит к активации анаболических процессов и процессов транспорта в клетке. В частности, усиливаются синтез белка, захват кислорода на ион железа в гемоглобине и миоглобине, перенос ионов металлов через клеточные мембраны [5].
Ниже предлагаются возможные механизмы воздействия ИК-излучения на живые клетки.
Как известно, процессы синтеза сложных биологических молекул из простых предшественников сами по себе являются термодинамически невыгодными, т. е. изменение свободной энергии Гиббса АО в таких реакциях положительно. Поэтому их протекание долж-
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
Рис. 6. Транспорт пузырьков-контейнеров, содержащих белки, между биологическими мембранами вследствие наличия на их поверхности молекул гуанозинтрифосфата (ГТФ), рождение которых может быть оптически стимулировано вследствие реакции АТФ + ГДФ = > АДФ + ГТФ. Перемещение пузырьков контейнеров между биологическими мембранами происходит вследствие наличия «реактивной тяги», которая возникает в процессе трансформации ГТФ в ГДФ (1=>5). Оптимальный спектральный диапазон для оптического стимулирования реакции получения ГТФ показан на рис. 10
но сопровождаться некоторыми термодинамически выгодными реакциями с большим отрицательным АО . Такой реакцией в большинстве случаев является гидролиз АТФ (аденозинтрифосфат) или реже ГТФ (гуанозинтрифосфат).
АТФ представляет собой этерифицированный три-фосфорной кислотой по ОН-группе рибозы нуклеид аденин. Он может быть гидролизован с образованием АДФ и неорганического фосфата Ф:
Эта реакция протекает с выделением большого количества энергии (~0,54 эВ). АДФ может быть вновь превращен в АТФ путем присоединения фосфатной группы, происходящего за счет солнечной энергии (при фотосинтезе), или за счет химической энергии.
ГТФ, необходимый, например, при биосинтезе белка и его транспорте через мембрану, образуется из АТФ и ГМФ (гуанозинмонофосфат) в две стадии:
ГМФ + АТФ = ГДФ + АДФ,
ГДФ + АТФ = ГТФ + АДФ.
Следует отметить, что данная реакция имеет важнейшее значение для транспорта белков между мембранами внутри клетки, а также — вне ее. На начальной стадии этого процесса белки, формирующиеся в эндоплазматической сети, сортируются и помещаются в пузырьки-контейнеры, находящиеся на внутренних мембранах [6] (рис. 6). В процессе транспортировки этот пузырек отпочковывается и переносится внутри клетки, после чего пристает к нужной мембране и сливается с ней. Важно, что транспорт белков осуществляется благодаря наличию на поверхности пузырьков молекул гуанозинтрифосфата, которые возникают под действием фермента (инсулина), стимулирующего присоединение фосфатной группы к гуанозиндифос-фату [6] (рис. 6).
В процессе транспортировки пузырька ГТФ конвертируется в ГДФ, что сопровождается выбросом одного из фосфатов («фосфорная бомба»), вследствие чего выделяется энергия для транспортировки пузырьков в цитоплазме. Основной часто неразрешимой проблемой является жесткая необходимость наличия инсулина, который стимулирует производство ГТФ. В случае его недостатка по тем или иным причинам транспортировка белков резко затрудняется, непере-работанный сахар накапливается в клетках, вследствие чего возрастает содержание сахара в крови, что клас-
/IV
Р
ф углерод • водород А В С радикалы
9 кислород • азот р аминокислотные
остатки
нм водородная связь
Рис. 7. Участок а-спиральной белковой молекулы с захваченными кислородсодержащими радикалами (^, которые могут быть удалены с помощью ИК-излучения с терагерцевой модуляцией (в), стимулирующего рождение солитонов — уединенных волн, распространяющихся вдоль белковой молекулы (б). Оптимальный спектральный диапазон для оптического стимулирования рождение солитонов вследствие возбуждения водородных связей показан на рис. 10
сифицируется как один из признаков возникновения диабетической болезни.
Роль инфракрасного облучения в стимулировании подобных реакций метаболизма при недостатке ферментов может быть двоякой. Во-первых, энергия световых квантов возможно используется клеткой вместо энергии гидролиза АТФ. Альтернативное предположение может состоять в том, что поглощение света не заменяет такой гидролиз, но ускоряет его протекание, и таким образом, протекание сопряженных с ним метаболических реакций.
Первая возможность связана с предположением роли а-спиральных белковых молекул в процессе переноса энергии гидролиза АТФ (рис. 7). Такое предположение было высказано в начале 1980-х гг. в связи с тем, что точки, в которых происходит гидролиз и в которых происходит потребление его энергии, зачастую разделены расстояниями, значительно превышающие межатомные [7].
Для эффективного переноса на столь большие расстояния необходимо посредничество линейных белковых молекул. Энергия переносится вдоль цепи
из пептидных групп (колебание Амид I) (рис. 7). Энергия таких колебаний составляет 0,21 эВ и для их возбуждения достаточно энергии гидролиза АТФ (0,54 эВ). Большая длительность жизни возбуждений в такой системе по сравнению с длительностью их жизни на изолированной пептидной группе (10-12 с) объясняется возможностью образования солитонов — связанных состояний внутрипептидных колебаний и колебаний цепочки как целого. Солитон представляет из себя сохраняющую форму уединенную волну, распространяющуюся вдоль белковой молекулы, не подвержен дисперсии и не теряет энергию [7].
Возбуждение солитонов возможно не только химическим, но и оптическим путем. Такие солитоны способны приходить в участки, на которых происходит потребление энергии, необходимой для метаболизма и таким образом увеличивать их интенсивность. Причем время жизни солитона напрямую зависит от числа пептидных групп, вовлеченных в его формирование при оптическом облучении, например, в спектральном диапазоне возбуждения водородной связи (0,165-0,3 эВ, что соответствует интервалу длин волн ИК-диапазона: 4-7,5 мкм, внутри которого находится значение энергии колебаний линейных молекул (см. выше)). Так, в случае участия трех пептидных групп время жизни солитона равно 0,5 с, шести — 41 с, а при вовлечении 9 пептидных групп, общий размер которых гораздо меньше диаметра оптического луча, время жизни со-литона, соответствующего колебаниям в а-спиральных белковых молекул при оптическом возбуждении водородной связи, составляет 22,5 мин! Действие оптически рожденных солитонов, которые являются идеальными переносчиками энергии гидролиза молекул АТФ вдоль а-спиральных белковых молекул практически без потерь, может быть многократно усилено, если генерирующий их свет будет модулирован в терагерцевом диапазоне «тряски» связей внутри радикалов (К) (рис. 7), входящих в состав белковых молекул [3]. В этом случае оптическое возбуждение и транспорт солитонов может стимулировать удаление кислородсодержащих радикалов, захваченных поврежденными участками белковых молекул (рис. 7), что, как будет показано ниже, имеет большое значение для практической медицины.
Следует отметить, что оптически индуцированные солитоны могут оказывать прямое воздействие на протекание гидролиза АТФ (рис. 8). В этом случае оптическое ИК-излучение возбуждает экситон в системе АТФ, транспорт которого в кольце аденозина приводит к формированию солитона с последующим возрастанием вероятности «отстрела» фосфатной группы: АТФ + «Ик-излучение» => АДФ + Ф. Соответственно, данный процесс резко усиливается при использовании терагерцевой модуляции ИК-излучения, что проявляется, например, в оптически стимулируемом транспорте ионов через биологические мембраны в режиме «калий-натриевого насоса» [5].
В рамках вышеописанных механизмов оптическое ИК-излучение может быть использовано для увеличения эффективности связывания кислорода в гемоглобине и миоглобине крови. Молекулы миоглобина и гемоглобина содержат соответственно один и четыре
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
Рис. 8. АТФ — антенна ИК-излучения с терагерцевой модуляцией. В результате «приема» ИК-излучения в кольце аденозина возбуждается экситон с последующим рождением солитона и «отстрелом» фосфатной группы. Таким образом, осуществляется оптически стимулируемый гидролиз АТФ, в результате которого могут рождаться молекулы ГТФ, ответственные за транспорт белков между биологическими мембранами. Оптимальный спектральный диапазон для оптического стимулирования гидролиза АТФ показан на рис. 10
атома железа, которые находятся в центре группы атомов, которая называется гемом (рис. 9).
Гем представляет собой ферропротопорфирин — порфириновый комплекс двухвалентного иона железа. Ион железа Fe2+ имеет 6d-электронов и находится недалеко от центра плоского порфиринового кольца. В порфириновом кольце ион железа Fe2+ удерживается координационными связями с четырьмя атомами азота. Пятая координационная связь направлена перпендикулярно плоскости кольца, связывая ион же-
леза с атомом азота остатка аминокислоты гистидина белковой группы молекулы. Шестая координационная связь либо свободна, либо связывает молекулу кислорода. Один гем не присоединяет молекулярный кислород: только специфическое окружение белком — глобином — делает такое обратимое присоединение возможным.
Процесс обратимого присоединения молекулы кислорода к иону железа в геме называется окси-генацией. В свою очередь, процесс освобождения
Рис. 9. Структура иона ¥в2+ внутри гема. Ион Вв2+ имеет спин, равный 2, и смещен перпендикулярно относительно плоскости порфиринового кольца на 0,8 ангстрема. В процессе захвата молекулы кислорода ион Вв2+ смещается в плоскость порфиринового кольца, приобретая спин, равный 0. Оптимальный спектральный диапазон для оптического
стимулирования реакции оксигенации показан на рис. 10
Рис. 10. Спектры оптимального возбуждения важнейших биохимических реакций ИК-излучением с терагерцевой модуляцией в сравнении со спектрами пропускания ИК атмосферных окон в атмосфере Земли
молекулы кислорода называется деоксигенацией. При оксигенации ион железа Ре2+ в геме переходит в нулевое спиновое состояние (все 6 электронов попарно спарены) и смещается в плоскость порфиринового кольца. При освобождении молекулы кислорода ион Ре2+ выступает из плоскости порфиринового кольца на 0,8 ангстрема (1 ангстрем равен 10-10 м) в направлении азота остатка аминокислоты гистидина и увеличивает свой спин до 2. Реакция присоединения кислорода сопровождается изменением цвета крови. Гемоглобин, содержащий кислород, называют оксигемоглобином. Он придает крови ярко-алый цвет. Гемоглобин без кислорода имеет более темный цвет. В процессе оптического ИК-облучения внутри порфиринового кольца возникает экситон (рис. 9), транспорт которого приводит к образованию солитона с последующим конформационным изменением в геме, вследствие чего уменьшается расстояние между ионом Ре2+ и атомами азота. В результате этого процесса стимулируется интенсивный захват молекулы кислорода на ион Ре2+, сопровождаемый разрушением солитона. Данный процесс, как и описанные выше резко усиливается при те-рагерцевой модуляции ИК-излучения, частота которой соответствует «тряске» связей внутри порфиринового кольца. Следует отметить, что непрерывное облучение с помощью ИК-излучения приводит к резкому росту концентрации оксигемоглобина, время насыщения которой соответствует времени жизни солитона и может достигать 22,5 мин.
Интересно, что спектральные диапазоны для оптимального стимулирования ИК-излучением обсужденных выше важнейших биохимических реакций хорошо коррелирует с позициями ИК-атмосферных окон в спектре пропускания атмосферы Земли (рис. 10).
2. Техническая реализация источников ИК-излучения с терагерцевой модуляцией
Задача получения излучения дальнего ИК-диапа-зона, модулированного в терагерцевом диапазоне, была успешно решена с помощью твердотельных излучателей, изготовленных с использованием кремниевой
нанотехнологии на основе монокристаллического кремния. Излучатели представляют собой управляемые генераторы ИК-излучения дальнего диапазона длин волн от 1 до 56 мкм с терагерцевой модуляцией во всем спектре излучения. Решение этой задачи стало возможным благодаря реализации квантоворазмерных р-п-переходов на поверхности монокристаллического кремния с глубиной от 20 до 30 нм, которые содержат каскады сверхузких кремниевых квантовых ям (СККЯ) шириной 2 нм, ограниченных дельта-барьерами шириной 3 нм (рис. 11). В процессе протекания тока через каскад СККЯ, возникает интенсивное ИК-излучение, спектральная характеристика
а микрорезонатор
‘ В
Рис. 11. ИК-излучатель, выполненный в геометрии холловского мостика на основе сверхузкой кремниевой квантовой ямы (СККЯ) р-типа проводимости, ограниченной дельта-барьерами на поверхности монокристаллического кремния п-типа (а) со встроенными микрорезонаторами, настроенными на длины волн из спектрального ИК-диапазона биохимических реакций; фрагмент СТМ изображения (б) показывает микрорезонатор для стимулирования ИК-излучением реакций в гемоглобине (см. рис. 10); при варьировании расположением и размерами контактов, предусматриваются возможности для реализации микроволновых резонаторов (в) для модуляции ИК-излучения в тера- и гигагерцевом частотных диапазонах
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
Длина волны, мкм
Рис. 12. Спектральные характеристики ИК-излучателя с терагерцевой модуляцией. Аппарат генерирует ИК-излучение непрерывного спектра в диапазоне от 1 до 56 мкм, модулированное в частотном диапазоне 40-1200 ГГц, который соответствует частотам колебаний связей в белковых молекулах. Кривая 1 — ток 20мА, мощность 29,24 мВт; кривая 2 — ток 30мА, мощность 43,84 мВт; кривая 3 — ток 40мА, мощность 58,29 мВт
Интенсивность, отн. ед.
Длина волны, мкм
Рис. 13. Часть спектра ИК-излучателя с глубокой терагерцевой модуляцией, полученная методом ИК-Фурье-спектрометрии. Модуляция ИК-излучения осуществляется на частотах 40 ГГц, 80 ГГц и 1200 ГГц. В ИК-излучателе на основе СККЯреализован принцип частотной модуляции, а именно, ИК-излучение, являющееся несущим, модулировано терагерцевым излучением
которого отражает резонансный характер оптических переходов между уровнями размерного квантования (рис. 12, 13, 14, а, б).
Одновременно нанотехнология таких квантоворазмерных р-п-переходов позволяет путем использования процессов самоорганизации встроенных в их плоскость наноструктур формировать систему фрактальных микрорезонаторов (рис. 11, б, в), настроенных на характерные длины волн ИК-излучения, что делает возможным многократное усиление его интенсивности. Кроме того, разработанная нанотехнология получения дельта-барьеров, ограничивающих сверхузкие СККЯ,
Рис. 14. Спектральные интервалы, демонстрирующие терагерцовую и гигагерцовую модуляцию инфракрасного излучения ИК-излучателя на основе СККЯ. Плотность тока, А/см2:1 — 50; 2 — 62,5; 3 — 75; 4 — 87,5; 5 — 100; 6 — 112,5; Т=300 К
позволяет их использовать в качестве генераторов тера- и гигагерцевого излучения, которое, в свою очередь, играет роль модулирующего для ИК-излучения (рис. 13, 14, а, б). Глубина терагерцевой модуляции может быть резко усилена, если создать систему микроволновых резонаторов, варьируя геометрическими размерами приборной структуры и распределением в ней электрического поля в условиях напряжения, приложенного к контактам (рис. 11).
3. Аппарат для длинноволновой ИК-терапии «ИК-Диполь»
Разработанная нанотехнология получения кремниевых ИК-излучателей представляет собой новую версию кремниевой ангстремной планарной технологии. Эта нанотехнология на современном этапе развития кремниевой наноэлектроники должна заменить известную субмикронную технологию и может оказаться актуальной для целого ряда кремниевых приборов (процессоры, микрохолодильники, излучатели, фотодиоды и светодиоды), а также послужить в дальнейшем базисом НИОКР по разработке микрорезонаторов на различные длины волн в видимом и инфракрасном диапазоне оптического спектра.
Во второй половине 1990-х гг. авторами статьи была разработана малогабаритная аппаратура инфракрасной терапии «ИК-Диполь» (рис. 15-18), которая успешно используется в травматологии и спортивной медицине, а также для лечения целого ряда заболеваний, таких как ангеопатия при сахарном диабете; трофические язвы и пролежни; неосложненные и хронические язвы желудка и двенадцатиперстной кишки;
Рис. 15. Аппарат для длинноволновой ИК-терапии «ИК-Диполь»
артрозы; пародонтозы; термические и радиационные поражения кожного покрова; рубцовые деформации после хирургических операций. Следует отметить, что все оптические системы, используемые в настоящее время в практической медицине и физиотерапии, излучают в ближнем ИК-диапазоне длин волн (не более 3 мкм), тогда как излучение аппарата «ИК-Диполь» дальнего ИК-диапазона (1-56 мкм), как указано выше, соответствует энергетическому диапазону биохимических реакций в человеческом организме (рис. 10).
Данная аппаратура не имеет мировых аналогов. Технология и метод были запатентованы в 1994 г. Настоящая разработка защищена патентами: Российской Федерации и Международным патентом.
Методики лечебной терапии с помощью аппарата «ИК-Диполь» были разработаны и апробированы в различных медицинских учреждениях Санкт-Петербурга и Москвы, среди которых в первую очередь
Рис. 16. Модификация аппарата «ИК-Диполь» для лечения карпального синдрома
следует выделить Военно-медицинскую академию им. С. М. Кирова, ГОУВПО СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова, ГКБ № 1 им. Н. И. Пирогова. Кроме того, данная аппаратура использовалась в целях восстановления иммуногенных связей и физиологических характеристик организма после длительного умственного напряжения и больших физических нагрузок. Стимулирующее воздействие данных методик на основе облучения дальним ИК было также продемонстрировано путем активизации процессов кровообращения в конечностях и усиления функциональной активности организма для различных групп спортсменов высшей квалификации.
Ниже представлены характерные результаты для снижения уровня сахара и увеличения гемоглобина в крови пациентов при использовании аппарата «ИК-Диполь», спектр излучения которого охватывает спектральный диапазон оптически стимулируемых
Рис. 17. Лечение артроза суставов пальцев Рис. 18. Лечение артроза локтевого сустава с помощью
с помощью аппарата «ИК-Диполь» аппарата «ИК-Диполь»
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
Рис. 19. Динамика изменения уровней сахара (а) и гемоглобина (б) в крови пациента во время облучения с помощью аппарата «ИК-Диполь»
реакций получения ГТФ и оксигенации (рис. 10). Облучение проводилось в область предплечья правой руки. В процессе облучения проводились контрольные заборы крови для измерения содержания сахара и уровня гемоглобина. Соответствующие кинетические зависимости представлены на рис. 19, а, б.
Обнаружено, что сахар снижается в крови пациентов, следуя зависимости
1 (0 = 1п - 4^ (1 - ехр (-£/г)),
где I (£) — уровень сахара в крови пациента во время ИК-облучения; 1Ш — начальный уровень сахара в крови пациента перед ИК-облучением; 1^ — установившийся уровень сахара в крови пациента после окончания ИК-облучения; £ — время; т — постоянная времени. Другими словами, кинетика снижения сахара при воздействии аппарата «ИК-Диполь» не очень сильно зависит от стадии развития диабетической болезни. Постоянная времени т, характеризующая кинетику спада уровня сахара в крови пациента, определенная из зависимостей на рис. 19, а, оказалась равной 22,5 мин, что является достаточно весомым фактором в пользу важной роли солитонов в биохомических реакциях в
человеческом организме. Данное значение постоянной времени т также хорошо описывает соответствующие кинетические зависимости увеличения уровня гемоглобина, представленные на рис. 19, б:
P (t) = Prn + (Plast - Prn) (^P (-А))
где P (t) — уровень гемоглобина в крови пациента во время ИК-облучения; Pin — начальный уровень гемоглобина в крови пациента перед ИК-облучением; Plast — установившийся уровень гемоглобина в крови пациента после окончания ИК-облучения. Причем начальный уровень гемоглобина слабо влияет на кинетику его возрастания в процессе облучения с помощью аппарата «ИК-Диполь». Следует отметить, что полученные результаты показывают, что при одинаковой кинетике протекания оптически стимулируемых биохимических реакций, достигнутые в результате ИК-облучения абсолютные значения уровня сахара и гемоглобина в крови определяются индивидуальными особенностями организма пациента.
Следует отметить, что оптически стимулируемое снижение сахара в крови пациентов сопровождалось усилением кровотока в конечностях и соответствующим увеличением температуры (рис. 20, а, б и в).
Различные модификации аппарата «ИК диполь» (рис. 15-18) эффективно использовались для лечения артрозов пальцев и коленных суставов. Следует отметить, что диагностика подвижности суставов конечностей в условиях болевого синдрома, а также — в период ремиссии первичных (Idiopathic аnd Rheumatoid) и вторичных (Роst-traumatic and Меtabolic deseases) представляет собой достаточно сложную задачу современной реабилитационной медицины. Критерии подвижности, эластичности, вязкости и внутреннего трения суставов основаны на данных динамических исследований поведения конечностей в условиях их периодического сгибания. Динамические методики в отличие от статических дают возможность определить не только предельные углы сгибания пораженных артрозом конечностей, но и величины возникающих при этом нагрузок на суставы. Зависимости силы сопротивления сустава (elastic stiffness) от угла сгиба-разгиба (on angles) пальцев, кистей, коленей и ступней являются основой для классификации первичных
Рис. 20. Динамика увеличения кровотока в конечностях (а), температуры стопы (б) и температуры в области воздействия (в) при лечении больных диабетом с помощью аппарата «ИК-Диполь»
датчик усилия
Рис. 21. Установка для регистрации сил сопротивления суставов пальцев в условиях периодического изменения их позиции
и вторичных артрозов, а также позволяют провести сравнительный анализ различных методов их лечения как в период купирования болевого синдрома, так и в период ремиссии пораженных артрозом суставов.
Для контроля эффективности лечения артрозов с помощью аппаратов «ИК-Диполь» использовалась модификация установки для регистрации сил сопротивления суставов пальцев в условиях периодического изменения их позиции (см. рис. 21).
Конструкция прибора позволяла измерять с помощью тензодатчиков эпюры сил, возникающих в суставах в условиях принудительного движения типа сгиб-разгиб. Измерительная система состояла из сверхчувствительного тензодатчика, синхронизированного с гидравлической системой, задающей изменение позиции сустава. Работа тензодатчиков и гидравлической системы контролировалась с помощью компьютера, на который поступали данные о силах, возникающих в суставах при изменении их позиции. Обратная связь обеспечивала регулировку принудительного движения при критических углах сгиб-разгиб, а также получение угловых зависимо-
Сила сопротивления суставов
пальцев, кг-см/рад
81 1—1
|__| до лечения
■ после лечения
6- ГП Г~
4
2
0-1—1—Щ-------------1—Щ----------1—Щ------1—Щ--------
Rheumatoid Idiophatic Post-traumatic Metabolic
Arthrits Arthrits Arthrits deseases
Рис. 23. Средние значения силы сопротивления суставов пальцев до и после лечения различных видов первичных и вторичных артрозов с помощью аппарата «ИК-Диполь». Средние значения приведены для групп из 30 пациентов каждая
Рис. 22. Эпюры момента силы сопротивления сустава пальца руки от угла отклонения при движении типа сгиб-разгиб. Сплошная линия — до лечения, пунктирная — после лечения с помощью аппарата «ИК-Диполь»
стей усилий, возникающих в суставах (см. соответствующие гистерезисные зависимости на рис. 22). Скорость принудительного движения поддерживалась постоянной и обеспечивала угловое изменение при движении сгиб-разгиб порядка 0,5 град в с. Момент силы сопротивления сустава измерялся в кг-см/рад. На начальном этапе определялся критический угол отклонения при движении типа сгиб-разгиб, при котором возникало болевое ощущение. Далее значение этого угла вводилось в программу и использовалось в качестве предельного критического угла отклонения конечности в процессе измерений угловых зависимостей, представленных на рис. 22 (сплошные кривые соответствуют эпюрам, зарегистрированным до лечения, а пунктирные — после окончания цикла лечения). В процессе лечения инфракрасным светом аппарата «ИК-Диполь» артрозов различного типа в период ремиссии наблюдалось значительное изменение эпюр возникающих в суставах усилий, которое сопровождалось купированием болевого ощущения при начально определенном критическом угле сгиба (разгиба). (Болевое ощущение после процедуры лечения возникало при значительно большем по сравнению с начальным значении критического угла.) Средние значения данных, характеризующих подвижность суставов до и после процесса лечения, приведены на рис. 23.
4. Установка для терагерцевой и длинноволновой ИК-терапии «Инфратератрон»
При лечении ожогов с помощью аппарата «ИК-Диполь» было обнаружено, что процесс заживления ускоряется не только за счет улучшения микроциркуляции крови, но также вследствие стимуляции организма на выработку белков теплового шока (БТШ).
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
Контрольные эксперименты по генерации БТШ с помощью аппарата «ИК-Диполь» проводились в рамках хорошо известной методики. Увеличение температуры тела у кроликов и крыс приводит сердце объектов исследования в устойчивое состояние к ишемическому воздействию. Причина такого улучшения сопротивляемости организма неизвестна, однако большое число исследователей считает, что увеличение температуры тела стимулирует синтез стрессовых белков (БТШ) в сердце [8-10].
Основным белком, который синтезируется у млекопитающих в момент стресса, является БТШ (HSP-72), который защищает клетки от стресса, а также быстро накапливается в них после ишемии. HSP-72 быстро синтезируется в результате ишемии в миокарде у различных биологических объектов. Однако таких экспериментов с человеческим сердцем до сих пор не проводилось. Для того чтобы определить аккумулируются ли HSP-72 в миокарде в процессе хирургических операций на сердце, у 20 пациентов брались три последовательных биопсии: перед шунтированием, после реперфузии и после шунтирования. У 10 пациентов во время операции кровь при прокачивании облучалась ИК-излучением кремниевых ИК светодиодов.
Биохимический анализ содержания HSP-72 в человеческом сердце показал значительный эффект по сравнению с другими млекопитающими [р(Ыпоша1)=0,01]. Было обнаружено, что концентрация HSP-72 значительно возрастает в случае использования ИК излучения. У пациентов, кровь которых не подвергалась ИК облучению, содержание HSP-72 после реперфузии и после шунтирования, по сравнению с данными до шунтирования, составило соответственно 97,7±8,6% и 85,3±14,2%, в то время как у пациентов, кровь которых подвергалась ИК облучению кремниевых ИК светодиодов, эти цифры составили 105,0±6,0% и 104,0±8,1%, соответственно.
Исследования показали, что начальная концентрация HSP-72 до шунтирования была довольно высокой,
и после реперфузии и шунтирования существенно не изменилась. Возможно, что высокая концентрация HSP-72 в человеческом сердце типична для этого вида заболеваний, а может быть отражает влияние терапии при подготовке к операции. Вполне вероятно, что высокий уровень этих белков вообще характерен для миокарда. Высокая концентрация HSP-72 в миокарде пациентов, принявших участие в исследовании, практически не изменялась в процессе хирургического вмешательства. При этом ИК-облучение крови пациентов во время хирургической операции позволило увеличить концентрацию HSP-72, а также стабилизировать уровни гликогена и лактата при проведении реперфузии и последующего шунтирования.
При ожогах большой площади часто происходит нагрев человеческого тела до высокой температуры, что сопровождается выработкой организмом БТШ. Однако, поскольку такие ожоги сопровождаются сильным болевым шоком, количества БТШ явно недостаточно для компенсации стресса, вызываемого болевым шоком. Поэтому очень важно, особенно в первые минуты и часы после термического поражения, создать в организме большую концентрацию БТШ для стабилизации работы сердца в условиях сильного стресса. Этого можно достичь, применяя ИК-излучение установки «Инфра-тератрон», состоящего из множества ИК-излучателей (1-56 мкм) с терагерцевой модуляцией, аналогичных используемым в аппарате «ИК-Диполь».
Для реализации этих задач был разработана и изготовлена установка «Инфратератрон» (рис. 24), с помощью которой оказалось возможным лечить ожоги большой площади в сочетании с антишоковым воздействием.
Установка обеспечивает ИК-излучение в диапазоне длин волн от 1 до 56 мкм с терагерцевой модуляцией во всем спектре излучения. Интегральная мощность излучения одного ИК-излучателя находится в диапазоне от 9 до 54 мВт на расстоянии 20 мм от его поверхности. Интегральная мощность излучения установки
Рис. 24. Установка для терагерцевой и длинноволновой ИК-терапии «Инфратератрон» во время клинических испытаний в НИИ Скорой помощи им. И. И. Джанелидзе
Рис. 25. Модифицированный панельный эмиттер «Инфратератрон» в рабочем положении
на том же расстоянии лежит в диапазоне от 972 до 5832 мВт. Минимальная площадь излучения одной секции составляет 300x600 мм2.
Настоящая разработка защищена патентами: Российской Федерации.
Показания к применению установки «Инфрате-ратрон»:
• лечение термических и иных поражений кожного покрова в сочетании с антишоковым воздействием;
• ускоренное заживление ран, пролежней и трофических язв большой площади, лечение послеоперационных рубцовых деформаций;
• лечение поражений кожного покрова и ран при радиационных поражениях;
• лечение заболеваний иммунной системы;
• лечение тяжелых травм позвоночника и профилактика заболеваний опорно-двигательного аппарата;
• лечение ангеопатии при сахарном диабете;
• лечение различных видов артрозов, профилактика и лечение осложнений, возникающих при ревматоидном артрите;
• лечение гипотонии;
• лечение пульмонологических заболеваний;
• челюстно-лицевая хирургия при лечении рубцовых деформаций на лице;
• лечение неосложненных и хронических язв желудка и двенадцатиперстной кишки;
• терапия после хирургических операций в условиях вывода из наркоза;
• антишоковая терапия в мобильном варианте скорой помощи;
• профилактика и лечение спортивной травмы;
• оздоровительные процедуры.
Клинические испытания установки для тера-
герцевой и длинноволновой ИК-терапии «Инфра-тератрон» были проведены в НИИ Скорой помощи им. И. И. Джанелидзе в г. Санкт-Петербург (рис. 18), которые показали чрезвычайно высокую эффективность применения установки «Инфратератрон» при лечении больных с тяжелыми термическими поражениями большой площади.
В процессе исследования клинически наблюдался выраженный седативный эффект во время проведения сеанса облучения. Больные отмечали ощущение легкого покалывания, снижение интенсивности болевых ощущений. Главным результатом является мощная антиоксидантная защита, создаваемая при использовании излучения «Инфратератрона», в первые сутки после получения тяжелых термических поражений большой площади, которая стимулирует снятие шока и препятствует развитию сепсиса.
При изучении влияния ИК-излучения на состояние иммунной защиты получены следующие данные, отражающие эти два фактора.
При поступлении у больных регистрировалось повышение спонтанной свободнорадикальной активности клеток в среднем в 2 раза по сравнению с нормальными значениями — 6,2-7,2 мВ. После сеанса облучение наблюдалось некоторое снижение спонтанной хемилюминесценции (ХЛ) крови.
Индуцированная бактерицидная активность клеток была повышена в 2-3 раза по сравнению с нормой (7,4-8,3) и еще более возрастала после сеанса облучения, особенно при поступлении. Возрастание индуцированной ХЛ указывает на мобилизацию бактерицидных ресурсов иммунокомпетентных клеток (нейтрофилов).
При изучении антиоксидантной активности крови у пострадавших с тяжелой термической травмой в процессе курса облучения было выявлено возникновение выраженного антиоксидантного подъема после первого сеанса облучения — антиоксидантная активность возрастала в среднем в 7 раз по сравнению с исходными значениями. Данная динамика связана с увеличением процессов индуцированной бактерицидной активности клеток, в основе которой лежит усиление свободно-радикальных процессов, и является адаптивной реакцией организма. Снижение интенсивности антиоксидантных процессов на следующие сутки носит эпизодический характер и указывает на временное истощение антиоксидантных ресурсов. В дальнейшем, к пятым суткам, наблюдается умеренное повышение антиоксидантной активности и ее нормализация (рис. 26).
Рис. 26. Антиоксидантная активность крови у пациентов с тяжелой термической травмой при терапии с помощью установки «Инфратератрон»
Рис. 27. Динамика изменения МДА у пациентов, получавших терапевтическое лечение с помощью установки «Инфратератрон» и у пациентов контрольной группы
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
ИННОВАЦИИ № 10 (156), 2011
Рис. 28. Динамика изменения концентрации ВНСММ на мембранах эритроцитов у пациентов, получавших терапевтическое лечение с помощью установки «Инфратератрон» и у пациентов контрольной группы
Рис. 29. Динамика изменения холестерина и триглицеридов у больных рассеянным склерозом в результате воздействия установки терагерцевой ИК-терапии «Инфратератрон»
Изучение динамики малонового диальдегида (МДА) показало, что, несмотря на более высокие исходные уровни в исследуемой группе, курс лечения данным спектром излучения приводит к заметному понижению его концентрации, что указывает на снижение интенсивности процессов перекисного окисления липидов (рис. 27).
Одновременно с нарастанием уровня ВНСММ (веществ низкой и средней молекулярной массы) в плазме венозной крови отмечалось заметное снижение концентрации ВНСММ на мембранах эритроцитов. Данный эффект, вероятно, связан с ионизацией крови или изменением заряда молекул и является благоприятным, так как способствует нормализации пластичности мембран эритроцитов (рис. 28).
Такое сочетание изменений является благоприятным, так как отражает оптимальный уровень продукции активных форм кислорода в сочетании с ростом резервных возможностей иммунокомпетентных клеток. С увеличением продолжительности лечения и спонтанная и индуцированная ХЛ имели тенденцию к нормализации (до очередного сеанса), к середине курса облучения (на 5 сутки) оба показателя возрастали. При продолжительном лечении и достижении терапевтического эффекта различия показателей до и после облучения нивелировались. Увеличение концентрации ВНСММ в венозной плазме с одновременным выраженным снижением их на мембранах эритроцитов.
У здоровых волонтеров после облучения не наблюдалось изменения числа лейкоцитов и антиоксидант-ной активности, а также возрастал уровень спонтанной и индуцированной ХЛ.
В результате клинических испытаний установки для терагерцевой и длинноволновой ИК-терапии «Инфратератрон» были сделаны выводы о том, что излучение дальнего ИК-диапазона (1 - 56 мкм) с терагерцевой модуляцией:
1) оказывает благоприятное общее воздействие на самочувствие больных, понижает уровень тревожности, обладает анальгетическим эффектом;
2) не оказывает клинически значимого влияния на биохимические показатели крови у тяжелообож-женных и здоровых пациентов;
3) приводит к оптимизации продукции активных форм кислорода и усилению антиоксидантной активности, вызывая, таким образом, интенсификацию механизмов неспецифической резистентности пострадавших;
4) приводит к мягкому повышению спонтанной и индуцированной свободнорадикальной активности у здоровых пациентов, а так же умеренному возрастанию интенсивности антиоксидантных процессов, что является благоприятным физиотерапевтическим эффектом;
5) повышает пластичность мембран эритроцитов, что приводит к снижению за счет этого тяжести гипоксии.
Кроме того, установка для терагерцевой и длинноволновой ИК-терапии «Инфратератрон» успешно применяется для лечения рассеянного склероза. Характерной клинической картиной для этого заболевания является онемение стоп, тремор рук, выпадение полей зрения, «шаткость» походки, нарушения сна (бессонница).
Физиотерапевтические процедуры (5-7 на курс) не сопровождались применением лекарственных препаратов. На основании изучения данных (МРТ, ЭКГ, ЭХОКГ, лабораторных показателей) отмечалась положительная динамика течения заболевания.
У пациентов с демиелинизирующими заболеваниями центральной нервной системы, по данным МРТ, отмечалась умеренная положительная динамика, частичное уменьшение размеров очагов демиелинизации. У части пациентов удалось полностью восстановить зрительные и речевые нарушения. У всех пациентов отмечен регресс парестезии верхних и нижних конечностей, вплоть до полного восстановления чувствительности. Контроль МРТ осуществлялся на 10-14 сутки после окончания цикла процедур, сохранение положительной динамики наблюдалось по данным МРТ на 40 сутки. По данным ЭКГ отмечалось умень-
шение систолической перегрузки левого желудочка, улучшалось коронарное кровообращение в областях боковой стенки, верхушки сердца. По данным ЭХОКГ отмечалось нарастание фракции выброса, снижалась недостаточность митрального клапана. При этом в результате лечения наблюдалось устойчивое снижение холестерина и триглицеридов в крови пациентов (рис. 29).
Заключение
Таким образом, в результате проведенных исследований было подтверждено, что аппарат «ИК-Диполь» с терагерцевой модуляцией в спектре ИК-излучения и установка для терагерцевой и длинноволновой ИК-терапии «Инфратератрон» могут быть с высокой эффективностью использованы в лечебных, лечебнопрофилактических и научно-исследовательских медицинских учреждениях. Данная аппаратура не имеет мировых аналогов. С ее помощью возможно успешно лечить больных, которые до сих пор считались безнадежными, например, в шоковом состоянии с ожогами большой площади, а также с тяжелыми формами де-миелинизирующих заболеваний центральной нервной системы. .
Список использованных источников
1. K. Humphreys, J. P. Loughran, M. Gradziel, W. Lanigan, T. Ward, J. A. Murphy, C. O’Sullivan. Medical applications of Terahertz Imaging: a Review of Current Technology and Potential Applications in Biomedical Engineering//Proc. of 26th Annual Int. Conf. of the Engineering in Medicine and Biology Society, 2004.
2. R. M. Woodward, B. E. Cole, V. P. Wallace, R. J. Pye, D. D. Arnone, E. H. Linfield, M. Pepper. Terahertz pulse imaging in reflection geometry of human skin cancer and skin tissue. Phys. Med. Biol., 2002.
3. B. M. Fischer, M. Walther, P.Jepsen. Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy. Phys. Med. Biol., 2002.
4. J. D. Hardy. Thermal radiation, pain and injury//Therapeutic Heat and Cold, ed. Licht S., Baltimore, MD: Waverly, 1972.
5. В. Б. Плахова, С. А. Подзорова, И. В. Мищенко, Н. Т. Баграев, Л. Е. Клячкин, А. М. Маляренко, В. В. Романов, Б. В. Крылов.
Возможные механизмы действия инфракрасного излучения на мембрану сенсорного нейрона//Сенсорные системы, 200З.
6. J. E. Rothman, L. Orci. Budding vesicles in living cells. Sci. Amer., 1996.
7. А. С. Давыдов. Биология и квантовая механика. Киев: Наукова Думка, 1979.
8. R. W. Currie, B. M. Ross, T. A. Davis. Heat-shock response is associated with enhanced postischemic ventricular recovery. Circ. Res., 1989.
9. T. J. Donnelly, R. E. Sievers, F. L.J. Vissern, W.J. Welch, C. L. Wolfe. Heat shock protein induction in rat hearts. A role for improved myocardial salvage after ischemia and reperfusion? Circulation, 1992.
10. D. M. Yellon, E. Passini, A. Cargnoni, M. S. Marber, D. S. Latchman, R. Ferrari. The protein role of heart stress in the ischemic and reperfused rabbit myocardium. J Mol Cell Cardiol, 1992
Terahertz a silicon nanoelectronics in medicine M. T. Bagraev, Ph. D.
L. E. Klyachkin, Ph. D.
A. M. Malyarenko, Ph. D.
B. A. Novikov, General Director.
Infrared and terahertz irradiation is now of a particular interest in construction of the brand-new types of medical diagnostics equipment, security and controlling devices those are able to be used in counter-terrorist actions. It appeared that the infrared irradiation modulated in the terahertz frequency range can be also applied to design the medical devices for the special therapy and prophylactics of different diseases, because the vast majority of the most important biochemical reactions in human body appear to be enhanced by optical pumping in this spectral range. «IR-Dipole», the device that has been constructed to bring these ideas to life generates a far infrared emission provided by the terahertz modulation frequency value from 40 GHz to 3,5 THz. The device has been developed using the different techniques within frameworks of the silicon planar nanotechnology. The further research on the silicon optoelectronics and nanoelectronics appeared to give rise to the construction of a plant «Infrateratron» that made it possible to cure large area burns and shocking at the same time. This device is also very high-efficient for treating the serious demielinisation forms of central nervous system.
Keywords: infrared and terahertz irradiation; optical pumping; biochemical reactions; physiotherapy; device «IR-Dipole»; plant «Infrateratron».
