Устройство для радиационной защиты биологических объектов в эксперименте

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам лазерного облучения биологических объектов при повреждающем действии на них ионизирующего излучения в эксперименте. Устройство включает излучатель и блок питания - адаптер. Излучатель состоит из лазерного модуля с длиной волны 650 нм и рассеивающей линзы. Между блоком питания и излучателем расположен переменный резистор. На входе питания устройства находится подключенный к адаптеру таймер. На таймере установлено время, обеспечивающее облучение биологических объектов дозой лазерного облучения в 1 мДж/см². Использование устройства позволит облучать объекты в точной эффективной дозе. 3 ил.

 

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для локальной защиты биологических объектов, т.е. для радиозащиты какой-либо области тела, в частности кожного покрова или слизистых оболочек носовой или ротовой полости. Такая необходимость нередко возникает в процессе лучевой терапии или хирургии онкологических заболеваний. Подобная защита может понадобиться также в некоторых производственных ситуациях, когда какая-то часть тела человека подверглась случайному воздействию ионизирующего излучения с большой линейной передачей энергии (ЛПЭ), например альфа-частиц, которые проникают в тело неглубоко.

Известно изобретение "СПОСОБ ЗАЩИТЫ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ОТ ПОВРЕЖДАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ" (патент на изобретение Д1 RU 2330695 С2, 10.08.2008). Суть этого изобретения состоит в том, что для защиты от повреждающего действия ионизирующего излучения клетки фибробластов облучались излучением гелий-неонового лазера. В качестве источника лазерного излучения использовали гелий-неоновый лазер с мощностью излучения 0,5 мВт. Длина волны излучения 633 нм. Диаметр лазерного пучка составлял 4,4 см. Радиозащитное воздействие лазера наблюдается в определенном, довольно узком интервале плотности энергии, а максимальный эффект наблюдается при плотности энергии лазерного облучения около 1 мДж/см².

При осуществлении данного способа возникал ряд неудобств. Первое из них было связано с использованием гелий-неонового лазера, который является газовым лазером [1]. Недостатками этих лазеров являются их дороговизна, недолговечность источников излучения, большие габариты и масса приборов. Диаметр лазерного пучка узкий и для облучения больших поверхностей приходилось расширять пучок с помощью оптической рассеивающей линзы. Кроме того, всякий раз при изменении размера лазерного пучка был необходим новый расчет для получения необходимой оптимально эффективной дозы. Исходя из мощности лазера и диаметра пучка, вычислялось время облучения для получения нужной дозы. Поскольку время облучения отслеживалось с помощью секундомера, а лазер включали и отключали вручную, очевидно, что были возможны погрешности в дозе облучения. Еще одним неудобством являлось то, что не было возможности пространственного перенаправления лазерного пучка, так как для этого нужно было одновременно перемещать лазер и оптическую линзу.

Целью данного изобретения было устранение недостатков прототипа, а именно исключить погрешности в дозе облучения и создать удобное в использовании устройство с возможностью пространственного перенаправления лазерного пучка.

В решении этой задачи помогли полученные результаты, показывающие, что для оказания на биологические объекты радиозащитного действия с помощью лазерного излучения с длиной волны 633 нм необязательно облучать всю поверхность биологических объектов, нуждающихся в радиозащите [2]. В этой работе монослой клеток фибробластов, выращенный на поверхности стенки пластикового флакона, подвергали гамма-облучению, затем лазерным излучением облучали всю поверхность стенки флакона (25 см²) или только ее центральную часть с площадью 1 см² (для изучения возможности передачи радиозащитного действия лазерного излучения по типу "bystander"[3] эффекта). Проведенные эксперименты показали, что независимо от размера поверхности монослоя клеток, облученной лазером, наблюдается практически одинаковый радиозащитный эффект лазерного излучения. Эти результаты показывают возможность передачи радиозащитного воздействия лазерного излучения по механизму "bystander" эффекта. Полученные данные устраняют встречающиеся в практике проблемы, связанные с большим размером пораженной ионизирующим излучением поверхности биологических объектов, поскольку позволяют разделить эту поверхность на сегменты размером в 25 см² и для радиозащиты облучить лазером только 1 см² из каждого сегмента. Следовательно, для профилактического облучения биологических объектов лазерным излучением красной спектральной области необязательно расширять лазерный пучок до размеров поврежденной поверхности или отсканировать всю поврежденную поверхность лазерным пучком.

Сущность предложенного решения состоит в том, что в устройстве лазерного облучения биологических объектов при повреждающем действии на них ионизирующего излучения в эксперименте, содержащем излучатель, состоящий из лазерного модуля с длиной волны 650 нм и рассеивающей линзы, блок питания - адаптер, между блоком питания и излучателем расположен переменный резистор, фиксирующий мощность излучения лазерного модуля, а на входе питания устройства находится таймер, связанный с кнопкой запуска и подключенный к входу адаптера исполнительными контактами, на котором установлено время, обеспечивающее облучение биологических объектов дозой лазерного излучения в 1 мДж/см² при определенном, указанном на приборе расстоянии излучателя от облучаемого объекта.

Использование всех перечисленных компонентов привело к следующему положительному эффекту: нет необходимости провести какие-либо расчеты, все расчеты уже произведены изготовителем, не нужны никакие вспомогательные приборы. Пользователь должен лишь соблюдать указанное на приборе расстояние между излучателем и биологическим объектом. Благодаря маленькому размеру излучателя и тому, что рассеивающая линза встроена в излучатель, можно свободно варьировать направлением лазерного пучка в пространстве.

Предложенное устройство позволяет для облучения биологических объектов радиозащитной дозой лазерного излучения лишь нажать на кнопку запуска. Устройство обеспечивает расширенный лазерный пучок, дозу облучения лазером в 1 мДж/см² и отключается автоматически. Оно имеет небольшой размер и низкую себестоимость.

На фиг.1 показана предложенная схема устройства для профилактики биологических объектов при радиационных поражениях в эксперименте, где

1 - Таймер;

2 - Блок питания - адаптер;

3 - Кнопка запуска;

4 - Переменный резистор;

5 - Лазерный модуль;

6 - Корпус лазерного излучателя;

7 - Рассеивающая линза.

Устройство работает следующим образом. Перед запуском устройство находится в режиме ожидания, таймер (1) и сетевой адаптер (2) обесточены. При нажатии кнопки «запуск» (3) на реле таймера подается напряжение промышленной сети ≈ 220 В, вследствие чего коммутируются контакты реле, которые замыкают цепь питания адаптера. Выходное напряжение адаптера +4 В через переменный резистор (4) подается на лазерный модуль (5), который расположен в корпусе лазерного излучателя (6). Лазерный модуль начинает генерировать оптическое излучение, которое, проходя через рассеивающую линзу (7), выходит из излучателя. После отсчета заданного времени таймер отключается, и подача напряжения на лазерный модуль прекращается.

Наличие рассеивающей линзы в излучателе обеспечивает на выходе из него расширяющийся лазерный пучок, имеющий разные размеры в зависимости от расстояния от излучателя.

Наличие переменного резистора позволяет точно настроить и фиксировать мощность излучения лазерного модуля.

Наличие таймера с жестко установленным фиксированным временем экспозиции позволяет проводить облучение биологических объектов точно в дозе 1 мДж/см² при соблюдении указанного на приборе изготовителем расстояния от излучателя.

На приборе указано расстояние от излучателя до биологического объекта, на котором значение площади лазерного пучка (S) обеспечивает необходимую плотность энергии (Р) при имеющейся мощности лазерного излучения (J) и времени облучения лазером (t). Формула зависимости между вышеуказанными параметрами:

S=tJ/Р, где t - время облучения лазером, S=πr² - площадь лазерного пучка в точке облучения, J - мощность излучения, Р - плотность энергии.

На фиг.2 представлено фото конкретного исполнения данного устройства.

В данном образце устройства использованы:

корпус лазерного излучателя из стали;

лазерный модуль - IE75-05PF;

рассеивающая оптическая линза из оргстекла с диаметром 6,5 мм;

держатель для излучателя - IE-200;

таймер - TH3D-NA 1-999 с;

блок питания - адаптер - ROBITON SN 1000S (1,5-12 В, 1 А, 12 Вт);

переменный резистор - СП - 1ВА.

Для измерения мощности излучателя использовали измеритель мощности лазерного излучения LP 1.

В данном исполнении устройство выдает лазерное излучение мощностью 0,7 мВт и позволяет на расстоянии 64 см от излучателя (диаметр расширенного с помощью рассеивающей линзы лазерного пучка в точке облучения составляет ~ 2,6 см) за 8 секунд облучить биологический объект в нужной для радиозащиты дозе в 1 мДж/см².

Изготовлен также приборный вариант устройства для использования в практике (фиг.3), где основная часть устройства помещена в пластиковый корпус. На панель управления вынесены только кнопка запуска и лицевая часть таймера (для возможности контроля исправности таймера). Излучатель встроен в корпус ручного фонарика, который соединен с остальной частью прибора длинным электрическим кабелем, позволяющим маневрировать излучателем в пространстве (направлением лазерного пучка). На корпусе ручного фонарика есть кнопка включения лазерного модуля, который может сработать только после нажатия на кнопку «запуск» на устройстве. Такое техническое решение позволяет в случае необходимости облучения с целью радиозащитного воздействия лазерным излучением большого количества сегментов биологического объекта свободно перемещать излучатель и нажимать только на кнопку включения на излучателе.

Работа устройства была успешно проверена на мышах линии C57BL/6.

Хорошо известно, что в развитии лучевой болезни у людей и животных играет большую роль лучевое повреждение кроветворных органов [4]. Наиболее характерными являются снижение количества лимфоцитов (лейкопения радиационная) и кариоцитов костного мозга. По этой причине поиск возможностей улучшения восстановления кроветворения после воздействия на организм ионизирующих излучений является важной задачей для радиационной защиты.

В связи с этим были проведены эксперименты по изучению действия комбинированного облучения лазерным излучением и γ-лучами ⁶⁰Со (3 Гр) на уровень гемоглобина и лейкоцитов периферической крови и кариоцит костного мозга экспериментальных мышей линии C57BL/6. При облучении мышей ионизирующим и лазерным излучениями их по одной особи помещали в специальные станки. Временной интервал между двумя видами облучения не превышал 30 мин. Сначала мыши подвергались воздействию γ-излучения, затем облучались устройством лазерного облучения биологических объектов при повреждающем действии на них ионизирующего излучения в эксперименте. Лазерным излучением (в дозе 1 мДж/см²) облучали не все тело мышей, а только волосатую спинку. Площадь расширенного пучка в точке облучения составляла ≈ 5,3 см² (примерно 1/3 поверхности спины). Результаты экспериментов показали, что через 15 суток после облучения мышей γ-лучами количественное содержание в их крови гемоглобина восстановлено, но значения количества лейкоцитов и кариоцитов костного мозга все еще ниже, чем у интактных мышей. Однако у мышей, комбинированно облученных γ-лучами и лазерным излучением, количество кариоцитов костного мозга на 15-й день после облучения уже на уровне интактных мышей. Следовательно, устройство лазерного облучения биологических объектов при повреждающем действии на них ионизирующего излучения в эксперименте можно использовать для улучшения восстановления кроветворения после воздействия на биологические объекты ионизирующих излучений [5, 6].

Эффективность профилактического воздействия данного устройства иллюстрируется также следующими клиническими примерами.

При воздействии ионизирующего излучения на животных и людей наблюдается повреждение их кожи [7], которое приводит к радиационным (лучевым) ожогам (радиоэпидермит). Ожоги обычно наблюдаются после однократного действия больших доз ионизирующей радиации, в ряде случаев - после многократного облучения кожи «жесткими» и фильтрованными лучами в терапевтических дозах. Радиоэпидермит, который сопровождается ощущением зуда и напряженности кожи, широко распространен и является серьезной проблемой у людей, проходивших лучевую терапию для лечения рака. Поэтому устройство для профилактики биологических объектов при радиационных поражениях было использовано для защиты кожи пациентов, проходивших лучевую терапию при лечении рака.

Пример 1. Пациентка В., 50 лет. Поступила в хирургическое отделение ФГУЗ МСЧ №9 ФМБА Росси, с направительным диагнозом - рак левой молочной железы. Была оперирована 18.03.2009 года.

13.05.09 г. поступила в радиологическое отделение ФГУЗ МСЧ №9 ФМБА для прохождения дистанционной лучевой гамма-терапии в суммарной дозе 50 Гр.

Облучение проводили в Медико-техническом комплексе (МТК) Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) г. Дубна по общепринятой схеме: 2 Гр в день, пять дней в неделю. Облучаемая зона: парастернальная справа (56 см²), надподключичная справа + подмышечная справа (180 см²), правая молочная железа - медиальное поле (96 см²) и латеральное поле (96 см²). После облучения в дозе 10 Гр у пациентки началось покраснение кожи и зуд в области облучения, болел послеоперационный рубец. Пациентка плохо спала. Назначенная врачом-радиологом мазь «Метилурацил» практически не способствовала улучшению состояния кожи больной. В связи с этим, после облучения в суммарной дозе 30 Гр (с 13.05.09 г. по 02.06.09 г.), по решению врача-радиолога гамма-терапия была временно приостановлена (с 03.06.09 г. по 22.06.09 г.). После перерыва облучения кожа пациентки полностью не восстановилась. По рекомендации врача и с согласия пациентки с 22.06.09 г. до окончания курса радиотерапии (03.07.09 г.) больную после облучения гамма-лучами (через 10-20 минут) облучали лазерным устройством. Площадь облучаемой гамма-лучами поверхности составляла примерно 428 см². При облучении лазерным устройством пораженную область кожи делили на сегменты размером ~25 см² и для радиозащиты облучали из каждого сегмента 5,3 см² (эта величина соответствует площади лазерного пучка в точке облучения - на расстоянии 64 см излучателя от пациента). Облучение одного сегмента длилось 8 секунд. Вся процедура (с учетом времени для изменения направления лазерного пучка) занимала не более 4 минут. Начиная с первого дня облучения лазером, поврежденная кожа постепенно стала восстанавливаться, зуд не наблюдался.

Пример 2. Пациентка А., 34 года. Поступила в хирургическое отделение ФГУЗ МСЧ №9 ФМБА России, с направительным диагнозом из ОНЦ РАМП им. Блохина - лейомиосаркома аксилярной области справа. 25.08.2009 года была оперирована.

23.09.09 г. поступила в радиологическое отделение ФГУЗ МСЧ №9 ФМБА для прохождения дистанционной лучевой гамма-терапии в суммарной дозе 52 Гр. Облучение проводили в МТК ЛЯП ОИЯИ по вышеуказанной схеме. Облучаемые зоны: правая аксилярная область. После облучения в дозе 6 Гр у пациентки уже наблюдались гиперемия кожи и зуд в области облучения, болел послеоперационный рубец. Назначенная врачом-радиологом мазь «Солкосерил», как и в вышеприведенном примере, не способствовала улучшению состояния кожи больной. После облучения в суммарной дозе 30 Гр (с 23.09.09 по 13.10.09), по решению врача-радиолога гамма-терапия была временно приостановлена (с 14.10.09 по 26.10.09 включительно). Поскольку после перерыва облучения кожа пациентки все еще не восстановилась, по рекомендации врача и с согласия пациентки с 27.10.09 г. до окончания курса радиотерапии (11.11.09 г.) больную после облучения гамма-лучами (через 10-20 минут) облучали лазерным устройством. Площадь облучаемой гамма-лучами поверхности составляла примерно 112 см². Облучение всей пораженной поверхности лазерным устройством, проведенное по вышеуказанной схеме (с учетом времени для изменения направления лазерного пучка), занимало не более 1,5 минуты. Начиная с первого дня облучения лазером, поврежденная кожа постепенно стала восстанавливаться, зуд не наблюдался.

ЛИТЕРАТУРА

1. Газовые лазеры (под ред. Н.Н.Соболева). - М. Изд-во "Мир", 1968 г.

2. К.Ш.Восканян, Г.В.Мицын, В.Н.Гаевский. Некоторые особенности комбинированного действия гамма-лучей и лазерного излучения на выживаемость мышиных фибробластов in vitro // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2009, т.43, №2, с.32-37.

3. Hall E.J. The bystander effect // Health Phys. 2003. Jul; 85 (1). P.31-35.

4. Ю.Б. Кудряшов, Б.С.Беренфельд. Основы радиационной биофизики. - Изд-во Московского университета, 1982 г.

5. K.S.Voskanyan, G.V.Mitsyn, V.N.Gaevsky, S.V.Vorojtsova, A.N.Abrosimova. Modification of the action of gamma radiation on the peripherial blood parameters and on the number of bone marrow karyocytes of c57bl/6 mice with the help of red spectral range laser radiation // Abstracts of the 38^th Annual Meeting of the European Radiation Research Society. Stockholm, 5-9 September, 2010. P.185.

6. К.Ш.Восканян, С.В.Ворожцова, А.Н.Абросимова, Г.В.Мицын, В.Н.Гаевский, К.Н Шипулин. Модификация воздействия гамма-излучения на параметры периферической крови и количество кариоцитов костного мозга мышей лазерным излучением красной спектральной области // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2010 - в печати.

7. Герасимова Л.И. Термические и радиационные ожоги. - Москва. Изд-во "Медицина", 2005 г.

Устройство лазерного облучения биологических объектов при повреждающем действии на них ионизирующего излучения в эксперименте, включающее излучатель и блок питания-адаптер, отличающееся тем, что излучатель состоит из лазерного модуля с длиной волны 650 нм и рассеивающей линзы, при этом между блоком питания и излучателем расположен переменный резистор, а на входе питания устройства находится подключенный к адаптеру таймер, на котором установлено время, обеспечивающее облучение биологических объектов дозой лазерного облучения в 1 мДж/см².