Способ сочетанного воздействия разночастотными лазерными излучениями

Изобретение относится к медицинской технике. Способ предназначен для повышения эффективности терапевтического и биовоздействия лазерными излучениями низкой интенсивности и предусматривает осуществление сочетанного воздействия на одну и ту же зону биологического объекта совокупностью нескольких разночастотных лазерных излучений. Способ основан на суммировании лазерных излучений без использования световодов. Совмещение - суммирование генерируемых каждым лазерным источником излучений - осуществляется посредством направления в заданном направлении этих излучений на оптический элемент, характеризующийся почти полным пропусканием одного излучения и почти полным отражением другого излучения. Изобретение обеспечивает сохранность степени поляризации и когерентности лазерных излучений в процессе их пространственно-временного совмещения, а также точность наведения излучения невидимого диапазона в определенную биологически активную точку за счет совмещения этого лазерного излучения с лазерным излучением видимого диапазона. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к разделам медицины, ветеринарии и биотехнологий, базирующимся на способах воздействия низкоинтенсивными лазерными излучениями (НИЛИ).

Медицинское применение НИЛИ составляет основу лазерной терапии (ЛТ) широкого круга различных заболеваний [1]. НИЛИ представляет собой узкополосное (менее 3 нм) электромагнитное излучение (ЭМИ) оптического диапазона, характеризующееся наличием когерентности и поляризации [2]. Наряду с лазерными источниками излучения в медицинской практике широко применяют светоизлучающие диоды (СИД), или светодиоды. Светодиодные излучения отличаются от лазерных излучений большей шириной частотного спектра (более 30 нм), меньшей степенью поляризации и отсутствием когерентности: метод лечения излучением СИД является разновидностью фототерапии (светолечения) и не относится к лазеротерапии [1: стр.58-59]. Имеются данные о значимости когерентности и поляризации в реализации биологических и терапевтических эффектов оптического излучения, а также о более высокой эффективности когерентного и поляризованного излучения по сравнению с некогерентным и малополяризованным излучением [1: стр.6, 59-60]. Известно, что первичным эффектом поглощения кванта ЭМИ в веществе является локальное нарушение термодинамического равновесия в виде локального нагрева вещества с возникновением в нем температурных градиентов [3]. Физиологически значимые температурные градиенты могут возникать в коже человека под действием только поляризованного оптического излучения, степень выраженности температурных градиентов коррелирует со степенью поляризации ЭМИ: чем выше степень поляризации воздействующего ЭМИ, тем больше величина температурных градиентов, возникающих в веществе, поглотившем это ЭМИ [4]. Эффект локального нарушения термодинамического равновесия, вызванный действием лазерного излучения, в сотни раз более выражен по сравнению с аналогичным эффектом, вызванным действием светодиодного излучения [3].

В настоящее время в практике ЛТ используются источники лазерного ЭМИ с длинами волн (λ) красного диапазона (0,63-0,69 мкм), ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (0,78-1,33 мкм), синего диапазона (0,45-0,48 мкм) и зеленого диапазона (0,51-0,575 мкм) [1]. Процедура стандартной ЛТ состоит в том, что применяют источник лазерного излучения определенного частотного диапазона, который включают в режим излучения и направляют излучение на определенную проекцию тела человека. По характеру излучаемой энергии различают непрерывные (немодулированные и модулированные по амплитуде [1: стр.16-17]) и импульсные лазеры: мощность применяемого в ЛТ непрерывного НИЛИ относительно невысока и не превышает 30 мВт/см², в то время как импульсные лазеры обладают большой мощностью в импульсе (до 10⁷ Вт и выше) при чрезвычайно малой длительности импульса и, вследствие этого, малой средней мощностью за период [2: стр.49]. Импульсное лазерное излучение характеризуется большей биостимулирующей эффективностью, чем непрерывное НИЛИ [2: стр.99]. Доказано, что сочетанное применение излучения ИК-лазера и излучения красного лазера более эффективно по сравнению с их раздельным применением при лечении длительно незаживающих трофических ран [5] и в лечении больных ишемической болезнью сердца [6]. Установлено, что при наличии универсального характера биостимулирующего эффекта действия разных длин волн НИЛИ [2: стр.152] значительно более высокая биостимуляционная и терапевтическая эффективность присуща лазерным излучениям с длинами волн 0,44 мкм; 0,63 мкм; 0,89 мкм и 1,3 мкм, по сравнению с лазерными ЭМИ других λ, и что биоэффект этих лазерных излучений значительно усиливается при их сочетании [1: стр.71] и [2: стр.152], т.е. при одновременном воздействии на одну и ту же область биообъекта лазерными излучениями различных длин волн [2: стр.177]. Имеются данные о значительном усилении эффектов действия лазерных излучений с λ=0,44 мкм и λ=0,63 мкм при их сочетании [1: стр.71]. Утверждается целесообразность использования в лазерной терапии следующих сочетаний лазерных излучений с длинами волн (в мкм): 0,44+0,63; 0,63+0,89 и 0,44+1,3 [1: стр.71-72]. В последние годы сочетанная лазеротерапия излучениями красного и инфракрасного диапазонов включена в систему реабилитации больных с поражением нервной системы разных уровней и распространенности [7].

Наиболее близким по технической сути является принятый за прототип способ лазерного воздействия сочетанием (суммой) лазерных излучений красного и ИК-диапазонов, предусматривающий использование единого оптического канала в виде моноволоконного световода для одновременного воздействия несколькими лазерными излучениями [8]. Техническая реализация прототипа представлена в лазерном медицинском устройстве "Кристалл" [9], в котором используется оптический блок, состоящий из полупроводниковых лазерных источников, предназначенных для излучения в видимой и инфракрасной областях спектра в соединенные с источниками световоды, составляющие оптический узел юстировки, сведенный в одно волокно, выполненный в виде плотного цилиндра с полированным концом, к которому подключается сменный волоконно-оптический инструмент со световодом, диаметр которого равен 200-400 мкм [9]. Посредством суммирования в едином световоде лазерных излучений красного и ИК-диапазонов в прототипе обеспечивается возможность сочетанного воздействия суммой этих излучений на одну и ту же зону объекта. Составляющий техническую основу прототипа способ суммирования (т.е. пространственно-временного совмещения оптических осей) лазерных излучений посредством использования световодов имеет следующие недостатки:

1. Первый и принципиальный недостаток прототипа состоит в том, что достаточно эффективный ввод излучения в оптическое волокно возможен только от непрерывных лазеров [1: стр.40], следовательно, в прототипе не может быть использовано излучение импульсного лазера.

2. В применяемых в медицинской практике световодах диаметр сердечника составляет от 200 мкм (как в прототипе) до 400-1000 мкм [10]. В световодах такого диаметра распространение лазерного излучения сопровождается фазовым сдвигом с нарушением степени когерентности и уменьшением степени поляризации излучения [2: стр.39]. Это обусловлено тем, что распространение оптического луча внутри волокна происходит (в форме моды) под определенным углом и сопровождается многократным полным отражением от поверхностей сердечника волокна таким образом, что при отражении оптического луча от поверхностей сердечника незначительная часть энергии луча проникает из сердечника в окружающую его оболочку и отражается не от поверхности сердечника в точке падения на нее моды излучения, а от более наружно расположенной (в оболочке сердечника) точки оболочки световода [11]. Такое пространственное несовпадение пункта падения моды ЭМИ и пункта отражения этой же моды относительно поверхности сердечника световода проявляется в формировании фазового сдвига между падающим и отраженным фрагментами излучения и эквивалентно уменьшению его когерентности (т.к. фазовый сдвиг прогредиентно нарастает по мере многократного переотражения ЭМИ, распространяющегося в световоде, а колебания являются когерентными, если разность их фаз остается постоянной [12: стр.291]). Кроме того, все световоды с диаметром сердечника более 10 мкм, а значит, и применяемые в медицинской практике, являются многомодовыми, и распространение в них оптического излучения сопровождается хаотизацией поляризации излучения ввиду случайного характера изменчивости ориентации вектора поляризации [11].

Другими словами, используемый в прототипе способ воздействия лазерными излучениями обеспечивает осуществление сочетанного воздействия совокупностью только непрерывных лазерных излучений и сопряжен с искажением фазово-когерентных и поляризационных характеристик суммируемых излучений.

Заявляемый способ воздействия лазерными излучениями разных частот предназначен для проведения сочетанного воздействия двумя или несколькими излучениями как непрерывных, так и импульсных лазеров и обеспечивает сохранность когерентно-поляризационных характеристик лазерных излучений в процессе их суммирования.

Для этого суммирование двух лазерных излучений, формируемых разночастотными лазерами, осуществляется посредством оптического элемента, содержащего многослойные диэлектрические покрытия, обеспечивающие определенный коэффициент отражения ЭМИ одного частотного спектра и определенный коэффициент прозрачности ЭМИ другого частотного спектра [13]. После осуществления процесса суммирования, совмещенные (оптическими осями) лазерные излучения направляются на объект через атмосферный воздух. В заявляемом способе в качестве оптического элемента, суммирующего-совмещающего импульсные и/или непрерывные излучения разночастотных лазеров может быть использован интерференционный светофильтр (интерференционно-поляризационный фильтр, дихроичный фильтр, интерференционно-диэлектрический фильтр) [12]. Физическая основа заявляемого способа обусловлена известным принципом суперпозиции волн, согласно которого, если в линейной среде одновременно распространяется система n различных волн, то каждая из этих волн распространяется независимо от других и не взаимодействуя с ними, т.е. так, как если бы их не было [14]. В заявляемом способе суммирование (т.е. сведение в единый луч) разночастотных лазерных излучений осуществляется в ограниченном (между оптическим элементом и поверхностью объекта) объеме воздушного пространства, являющегося линейной средой для ЭМИ оптического диапазона. Предназначенные для реализации заявляемого способа оптические элементы обеспечивают эффекты, основанные на принципе интерференции, осуществимой только при наличии когерентности излучения. Поэтому интерференционные (интерференционно-поляризационные) фильтры не нарушают ни когерентности, ни сопряженной с ней поляризации лазерных излучений тех частотных диапазонов, для пропускания/отражения которых этот фильтр предназначен. Кроме этого, функционирование интерференционного фильтра обеспечивает пропускание/отражение лазерных излучений определенных частотных диапазонов вне зависимости от импульсного или непрерывного характера излучений.

Применение оптического элемента для суммирования разночастотных НИЛИ предполагает использование интерференционного (дихроичного) светофильтра, способного, практически, без потерь на поглощение пропускать лазерное излучение в одном узком (до 0,1-0,15 нм) [12] интервале длин волн и отражать, практически, без потерь на поглощение лазерное излучение в другом узком интервале длин волн. Схема реализации предлагаемого способа, основанного на использовании в качестве оптического элемента такого дихроичного (интерференционного) фильтра, представлена на рис.1, на котором:

1 - источник лазерного ЭМИ одной длины волны - 5;

2 - источник лазерного ЭМИ другой длины волны - 6;

4 - объект воздействия;

Ф - оптический элемент (дихроичный, или интерференционный фильтр), расположенный под углом 45° к направлению центральной оптической оси как излучения - 6, отражаемого оптическим элементом, так и излучения - 5, для которого оптический элемент является прозрачным: при этом центр оптического элемента проецируется на область пересечения направлений ориентации центральных оптических осей излучений обоих источников. При одновременном направлении на такой оптический элемент двух (-5 и -6) лазерных излучений с разными длинами волн одно излучение (-5) распространится через прозрачную для него среду оптического элемента на определенную зону объекта, а второе излучение (-6) отразится от зеркальной для него поверхности того же оптического элемента под углом в 45° (равном углу падения) в направлении той же зоны объекта.

Применяя два подобного типа дихроичных зеркала с разными полосами пропускания/ отражения НИЛИ и располагая второе зеркало ближе к объекту и параллельно первому зеркалу, можно осуществить суммирование лазерных излучений, одновременно генерируемых тремя разночастотными лазерными источниками. Схема реализации такого способа представлена на рис.2, на котором изображены:

1 - лазерный источник НИЛИ λ₁ - 5;

2 - лазерный источник НИЛИ λ₂ - 6;

3 - лазерный источник НИЛИ λ₃ - 7;

4 - объект воздействия;

Ф - дихроичный фильтр №1; Ф₂ - дихроичный фильтр №2. Обозначенная на рис.2 схема суммирования лазерных излучений (-5 и -6) с λ₁ и λ₂ посредством дихроичного фильтра с №1 идентична по сути схеме, изображенной на рис.1. Совокупность из λ₁ и λ₂ излучений, сведенных посредством суммирования в единое излучение, ориентируется на рабочую поверхность расположенного под углом в 45° к этому (суммированному) излучению дихроичного фильтра №2, прозрачный в λ₁ и λ₂ диапазонах длин волн, но, практически, полностью отражающий НИЛИ в диапазоне λ₃. При ориентации центральной оптической оси излучения с λ₃ (излучение - 7) под углом в 45° к дихроичному фильтру №2 происходит отражение излучения с λ₃ в направлении объекта и совмещение центральной оптической оси излучения с λ₃ с центральными оптическими осями излучений с λ₁ и λ₂.

Очевидно, что применяя по аналогичному рис.2 принципу n-ное количество дихроичных фильтров и n+1 разночастотных лазеров, можно осуществить суммирование n+1 числа разночастотных лазерных излучений.

Суммирование двух разночастотных лазерных излучений может быть выполнено и способом, представленным на рис.3, отличающимся от рис.1 тем, что два лазера (1) и (2) расположены параллельно друг другу, и их излучения ориентированы в сторону объекта (4). Отличие от способа, представленного на рис.1, заключается в том, что излучение лазера 2 сначала направляется под углом в 45° на поверхность зеркала (3), от которого полностью отражается в сторону дихроичного фильтра (Ф), направляясь на поверхность последнего под углом также в 45°, и повторно отражается от этой поверхности дихроичного фильтра в направлении объекта, совмещаясь с лазерным излучением (1), исходно ориентированным в сторону дихроичного фильтра и беспрепятственно проходящим через последний в сторону объекта,

Достигаемый заявляемым способом технический результат состоит в повышении эффективности биовоздействия лазерными излучениями посредством пространственно-временного совмещения (суммирования) непрерывных и/или импульсных лазерных разночастотных излучений без нарушения когерентности и поляризации суммируемых излучений. Кроме этого, заявляемый способ обеспечивает более точное наведение лазерного излучения невидимого диапазона в биологически активную точку - вследствие совмещения излучения невидимого диапазона с излучением видимого диапазона, что существенно при бесконтактной методике ЛТ.

Сущность изобретения состоит в осуществлении одновременного воздействия на одну и ту же зону объекта двумя или несколькими низкоэнергетическими непрерывными и/или импульсными лазерными излучениями с не искаженными поляризационно-когерентными характеристиками.

При использовании в качестве источников НИЛИ полупроводниковых лазеров заявляемый способ допускает коллимирование (т.е. преобразование расходящихся пучков оптических лучей в параллельные) формируемых источниками излучений, осуществляемое на участках между излучающими поверхностями этих источников и оптическим(-и) элементом(-ами). Необходимость этого может быть обусловлена известной особенностью полупроводникового лазера, состоящей в том, что формируемое любым таким лазером излучение (вследствие дифракции на выходном окне лазерного диода) выходит в виде расходящегося пучка [2: стр.53]. Коллимирование таких излучений перед их суммированием заявляемым способом необходимо для того, чтобы, практически все пучки этих излучений были направлены параллельно (т.е. параксиально [13: стр.337]) их центральным оптическим осям, ориентированным (посредством соответствующей фиксации источников НИЛИ и оптического элемента) под углом в 45° к поверхностям оптического элемента. С целью коллимирования (т.е. преобразования пучков расходящихся лучей в параллельные) излучения, формируемого полупроводниковым лазером, последний помещают в фокусе собирающей линзы [15], причем, таким образом, чтобы фокальная плоскость линзы была перпендикулярна главной (центральной) оптической оси излучения: при этом целесообразно придерживаться соответствия площади поверхности линзы и площади поперечного сечения расходящегося излучения с предварительным расчетом (по известным техническим характеристикам лазерного диода) этого сечения на уровне фокусного расстояния коллимирующей линзы.

Пример конкретного выполнения

В реализованном авторами способе в качестве источника НИЛИ использован аппарат ЛТ серии "АЛЬФА", в котором имеются три излучающие лазерные головки (красного диапазона с λ 630-680 нм; ИК-диапазона с λ 840-880 нм непрерывного излучения и ИК-диапазона с λ 800-950 нм импульсного излучения) и имеется возможность одновременного применения последних в режиме генерации соответствующего излучения [16]. В качестве оптического элемента использовался дихроичный фильтр (поляризационно-интерференционный фильтр) со свойствами спектроделителя (изготовленный в ЛОМО г.С.-Петербург), имеющий форму круга (диаметр поверхности 30 мм, толщина 2 мм). Данный фильтр способен отражать более 95% направленного на его поверхность под углом 45° излучения в диапазоне 800-950 нм и пропускать более 95% излучения в области 600-740 нм, также направляемого на поверхность спектроделителя под углом в 45°. Применявшиеся фильтры - спектроделители были аттестованы в ЛОМО на фотометре ПК-887 (производства ЛОМО), предназначенном для измерения коэффициента отражения и пропускания, с использованием фильтров под углами, и на спектральном фотометре Лямбда-19 фирмы Перкен-Эльбер (англ.), предназначенном для измерения спектральной кривой пропускания. Суммирующее устройство предназначалось для пространственно-временного совмещения (суммирования) излучения красного и излучения ИК- (непрерывного или импульсного) диапазонов согласно принципу, отображенному на рис.1 (в качестве источника - 1 использовался красный лазер, а в качестве источника - 2 использовался ИК-непрерывный или импульсный лазер). Суммирующее устройство изготавливалось из легкого металла и имело форму куба, между двумя его противоположными (условно-верхней и нижней) поверхностями формировался "первый" сквозной (полый внутри) цилиндрический канал, центр поперечного сечения которого совпадал с линией, соединяющей точки пересечения диагоналей соответствующих поверхностей куба. Со стороны центра боковой поверхности куба, ориентированной в сторону расположения одного из источников НИЛИ (источник - 2 на рис.1), формировался "второй" (полый внутри) цилиндрический канал, ориентированный перпендикулярно к центру куба, совмещенного с проекцией центра "первого"(вертикального) канала. При этом внутреннее отверстие "второго" (бокового) канала располагалось внутри куба - на ближней к нему стенке "первого" канала, а ориентации обоих каналов были перпендикулярны между собой. На каждой из боковых поверхностей куба, прилежащих к боковой поверхности с наружным отверстием "второго" канала, обозначалась диагональ из верхнего угла, ближнего к поверхности с входным отверстием "второго" канала. В плоскости сечения куба, проходящей через верхние 3/4 этих диагоналей, и через ребро куба, расположенное между верхними концами этих диагоналей (т.е. в плоскости сечения, ориентированной под углом в 45° к поверхностям куба), формировалось щелевидное пространство прямоугольной формы. В данное щелевидное пространство вкладывался дихроичный фильтр, центр которого оказывался совмещенным с проекцией пересечения центральных осей "первого" и "второго" каналов. Посредством резьбового соединения к верхнему (входному) отверстию "первого" канала фиксировалась излучательная головка с красным лазером, а к наружному (входному) отверстию "второго" канала фиксировалась излучательная головка с ИК- (непрерывным или импульсным) лазером. Предварительно, перед фиксацией излучательных головок, для каждого лазера задавалось, посредством использования встроенного в аппарат "АЛЬФА" фотометра, определенное значение мощности излучения. После фиксации излучательных головок к соответствующим граням куба осуществлялось включение каждого лазера по отдельности с измерением мощности его излучения на выходе из "первого" (вертикально-сквозного) канала. При этом было констатировано наличие красного и ИК-излучения на выходе из суммирующего устройства с, практически, несущественным для ЛТ ослаблением мощности. Соответственно, одновременная генерация излучений обоими лазерами фиксированных к кубу излучательных головок сопровождалась наличием на выходе "первого" канала суммированного излучения, характеризующегося мощностью, приблизительно равной сумме мощностей, пропущенных через каналы куба излучений.

Литература

1. С.В. Москвин. Эффективность лазерной терапии. - М.: НПЛЦ "Техника", 2003.

2. Низкоинтенсивная лазерная терапия / Сборник трудов под общей ред. С.В.Москвина, В.А Буйлина. М.: ТОО "Фирма "Техника", 2000.

3. Е.И.Брехов, В.А.Буйлин, С.В.Москвин. Теория и практика КВЧ-лазерной терапии. - М.: "Триада", 2007 (на стр.7).

4. Кару Т. и др. Исследование влияния степени поляризации лазерного излучения на стимуляцию клеточного метаболизма / Лазерная медицина. - 2008. - Т.12, вып.1, с.4-8.

5. Бицоев В.Д. Сравнительная характеристика регенераторных процессов длительно незаживающих ран под воздействием низкоэнергетического лазерного излучения и сочетании лазера с другими физическими факторами // Матер. Междунар. конф. "Клиническое и экспериментальное применение новых лазерных технологий". - Москва-Казань, 1995, с.395-397.

6. Корочкин И.М., Бабушкина Г.В. Низкоинтенсивная лазерная терапия в лечении больных ишемической болезнью сердца // Laser-market. - 1995. - №2-3. - С.27-29.

7. Тышкевич Т.Г., Пономаренко Г.Н., Медведев С.В. Концепция многоуровневой полисенсорной стимуляции нейрорегенерации / Физиотерапевт., №3/2009, с.34-40.

8. Т.Кацуяма, Х.Мацумура. Инфракрасные волоконные световоды. - Изд-во "Мир", М., 1992, с.51.

9. Кочетков М.А., Луковкин А.В. Патент РФ RU 2172190 C1.

10. А.В.Приезжаев, В.В.Тучин, Л.П.Шубочкин. Лазерная диагностика в биологии и медицине. - М.: Наука, Главная ред. физ.-мат. лит-ры, 1989.

11. Волоконно-оптические датчики. - Пер. с японского Г.Н.Горбунова. Л., Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1991, стр.28-32.

12. Большой энциклопедический словарь ФИЗИКА. - Под ред. А.М.Прохорова. Научное изд-во "Большая Российская энциклопедия", М., 1998, сс.494 и 670.

13. Е.И.Бутиков. Оптика. - Под ред. Н.И.Калитеевского, М., "Высшая школа", 1986, с.260-261.

14. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. - М.: Наука, 1971, с.539.

15. А.В.Перышкин, Н.А.Родина. Физика. Учебник для 8 класса. М.: Просвещение, 1997, стр.150.

16. Аппарат лазерный терапевтический "АЛЬФА-1М". Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации. НПФ "ТЕХКОН", г.Пенза.

1. Способ сочетанного воздействия низкоинтенсивными лазерными излучениями разных частотных диапазонов, предусматривающий проведение одновременного воздействия на одну и ту же зону биообъекта двумя низкоинтенсивными лазерными излучениями, состоящий в том, что используют два разных источника низкоинтенсивных лазерных излучений разных частотных диапазонов, включают эти источники в режим генерации излучений и при одновременной работе этих источников осуществляют совмещение генерируемых ими излучений в единое - суммированное излучение, которое направляют на биообъект, отличающийся тем, что совмещение - суммирование генерируемых каждым лазерным источником излучений осуществляется посредством направления в заданном направлении этих излучений на оптический элемент, характеризующийся почти полным пропусканием одного излучения и почти полным отражением другого излучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют n-ное количество (большее двух) оптических элементов для суммирования n+1 количества низкоинтенсивных лазерных излучений, генерируемых n+1 количеством лазеров разных частотных диапазонов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании лазеров с расходящимися излучениями может использоваться коллимирующая линза, располагающаяся между каждым лазерным источником и оптическим элементом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оба источника низкоинтенсивных лазерных излучений расположены параллельно друг другу, одно лазерное излучение непосредственно направляется на оптический элемент, а другое лазерное излучение направляется под углом в 45° на расположенное параллельно оптическому элементу зеркало, отражается от него в сторону оптического элемента, от которого повторно отражается в направлении объекта, совмещаясь с излучением другого источника, проходящим через оптический элемент.