Лазеры и их применение в медицине. Учебное пособие

Благодаря отмеченным уникальным свойствам, СО2 – лазер ус- пешно применяется для удаления папиллом, бородавок, невусов (роди- нок), непрофессиональных татуировок, пигментных пятен, кондилом, шрамов, келоидов, ксантом, ксантелазм и других нежелательных ново- образовании на коже, слизистой и половых органах, для лечения эро- зии, лейкоплакии, эритроплакии и др.

Показания лазерной хирургии CO2 – лазером:

-хирургия;

-новообразования кожи и слизистой: папилломы; бородавки (в том числе, подошвенные); мозоли; кондиломы; кератомы; невусы (ро- динки); гемангиомы; телеангиоэктазии; акнэ; дерматофибромы; мягкие фибромы; атеромы или эпидермальные кисты; липомы; ксантомы и ксантелазмы; цистаденомы и другие новообразования кожи;

-косметология: рубцы (в том числе, после химиокоагуляции и ке- лоидные); шрамы; морщины; пигментные и возрастные пятна; пятна после беременности и родов; угревые кратеры; лазерная дермоабразия («омолаживание», «шлифовка» кожи); татуировки; заболевания ногтей,

втом числе грибковые;

-неврология;

-гинекологические болезни: эрозия шейки матки; лейкоплакия; эритроплакия; кондиломы генитальной области и влагалища; полипы; пластика половых губ и девственной плевы (Hymen imperforatus).

Абсолютных противопоказаний для лазерной хирургии нет. Отно- сительными противопоказаниями для лазерохирургических манипуля- ций являются значительные размеры иссекаемого образования (когда для закрытия раны требуется кожная пластика), техническая невоз- можность подвести лазерный луч к оперируемому участку и наличие органических заболеваний, связанных с нарушением микроциркуляции (тяжелая форма сахарного диабета, эндартериит конечностей и др.)

[32].

61

прохождения сквозь биоткань и потому также не участвует в биости- муляции. Ввиду незначительности эти потери энергии можно не учи- тывать.

3.3.3 Поглощение

Поглощение энергии определяется взаимодействием фотонов при- ходящего от излучателя аппарата первичного монохроматического, ко- герентного и поляризованного лазерного излучения с электронами био- молекул. При попадании фотона на электрон энергия фотона поглоща- ется электроном, который увеличивает свою энергию путём перескока на более высокую орбиту. Затем электрон через промежуточные орби- ты возвращается на исходную орбиту с излучением фотонов с различ- ными энергиями (длинами волн излучения), равными разностям энер- гий электрона на промежуточных орбитах. Поглощение первичного лазерного излучения в биоткани весьма велико, и величина ослабления плотности потока мощности даже в наиболее прозрачном ИК- диапазоне составляет несколько десятков раз (до 100) на каждый 1 см глубины проникновения. При этом ослабление на глубине всего 3 см доходит до 106 раз! Интенсивность поглощения энергии существенно зависит также и от структуры биоткани. Экспериментальными работа- ми ряда отечественных и зарубежных ученых показано, что для инфра- красного излучения в диапазоне 800÷1200 нм кожа поглощает 25-30%, мышцы и кости 30 - 80%, паренхиматозные органы – до 100% излуче- ния.

3.3.4 Рассеяние

Фотоны, излучаемые электронами возбужденных биомолекул, об- разуют вторичный поток излучения, распространяющийся (рассеиваю- щийся) во все стороны сферы и возбуждающий другие молекулы био- ткани и т.д. Поскольку разнообразие биомолекул в организме велико, вторичное излучение является широкополосным, некогерентным и не- поляризованным. Степень ослабления вторичного излучения значи- тельно меньше, чем первичного лазерного, и составляет менее 10 раз на каждый 1 см глубины биоткани (на глубине 3 см всего примерно в 100

– 1000 раз). Поэтому именно вторичное излучение и обеспечивает большую глубину проникновения в биоткани.

Другими факторами, увеличивающими глубину эффективного воздействия, являются перенос возбужденных молекул кровью и лим- фой по всему организму, а также глубокое проникновение возбуждения по каналам, соединяющим биологически активные точки и зоны кожи с

63

внутренними связанными с ними органами. Можно полагать, что на глубинах, превышающих 3 см, основное биологическое воздействие оказывает не первичное (в частности, лазерное) излучение, а именно вторичное рассеянное широкополосное некогерентное и неполяризо- ванное излучение, аналогичное широкополосным излучениям ИК- и красного диапазонов излучателя аппарата квантовой терапии.

Плотность потока полезной мощности и энергии на определенной глубине проникновения зависит от расстояния, пройденного излучени- ем от излучателя до поверхности биоткани, и от глубины расположения этого слоя биоткани. В воздухе энергия (плотность потока мощности расходящегося оптического луча) падает обратно пропорционально квадрату расстояния от излучателя до поверхности биоткани (кожи, слизистой). В биоткани уменьшение плотности потока мощности про- исходит значительно более резко и существенно зависит от вида био- ткани. В случае воздействия на биоткань через повязку каждый слой бинта дополнительно уменьшает плотность потока мощности в 1,5- 2 раза.

Наиболее важными нормативными документами при работе с ме- дицинскими лазерами являются «Санитарные нормы и правила устрой- ства и эксплуатации лазеров», а также «Лазерная безопасность», в ко- торых приведены термины, определения, условные обозначения и фор- мулы для расчета некоторых величин лазерного воздействия на био- ткани.

Облученность – это отношение мощности излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению излучения, освещае- мой лучом.

Величина Е определяет облученность за одну секунду. Н – энерге-

тическая экспозиция, или плотность потока энергии (ППЭ), Дж/см2. Энергетическая экспозиция – это произведение облученности на дли- тельность сеанса терапии. Значения Е и Н прямо пропорциональны час- тоте повторения импульсов f, устанавливаемой на аппарате.

Другие виды лечебных воздействий биологически менее эффек- тивны и здесь не учитываются. Их применение приводит к усилению биоэффекта, способствует большему проникновению излучения в био- ткани. Определять Н в виде арифметической суммы энергии всех видов излучений, составляющих квантовую терапию, неверно.

Изменение Н (энергетической экспозиции лазерного излучения) в широких пределах – от 0,01 до 1 Дж/см2 не влияет на оптические свой- ства биоткани, то есть глубина проникновения не зависит от плотности потока мощности, или энергии. Для биофизической оценки реакций,

64

происходящих в биоткани и во всем организме в целом, а также для качественной оценки влияния силы стимулирования (дозировки) лазер- ного излучения на вид биоэффектов полезен закон Арндта-Шульца. Он гласит, что в биологических системах слабые стимулы дают сильные реакции, средние - умеренные реакции, умеренно сильные слегка тор- мозят систему, а очень сильные полностью блокируют ее.

Если допустить нагрев ткани более чем на 40ºС, начинается дена- турация белка и изменение липидов, которые на первых порах могут быть обратимыми и играть положительную роль в развитии конечных адаптационных процессов. При температуре свыше 55ºС наблюдается необратимая дегенерация, а свыше 63ºС - коагуляция белка. Эти явле- ния могут наблюдаться при высокоэнергетическом воздействии, при- меняемом в отдельных видах медицинской практики (онкология и др.) и не имеют никакого отношения к аппарату квантовой терапии. В фи- зиотерапевтической практике квантовой терапии используется только квантовое излучение, соответствующее состоянию биостимуляции, при котором не может быть необратимых изменений.

Длительность проведения процедуры квантовой терапии может быть определена с учетом «терапевтического коридора». Это тот диа- пазон значений, в котором меньший уровень воздействия может дать слабо выраженный эффект биостимуляции или слишком медленный рост эффекта. В то же время больший уровень нежелателен, поскольку может привести к необратимой биодепрессии.

Как уже было отмечено, энергия фотона ИК - диапазона спектра мала для реализации гипертемпературных, денатурирующих, деструк- тивных, дегенеративных процессов. Однако верхние цифры для тера- певтического коридора вполне актуальны и для квантовой терапии, так как процессы быстрой стимуляции небесконечны, поскольку ограниче- ны запасом компенсаторных возможностей организма. Без сомнения, для реализации развития прогнозированной срочной и долговременной адаптационной перестройки более рационально циклично-регулярное, курсовое повторение низкоэнергетических процедур, чем удлинение времени их проведения или повышение плотности потока мощности излучения.

Остановимся еще на одном эффекте, характерном для квантовой терапии, – эффекте усиления биологического воздействия на организм импульсного лазерного излучения по сравнению с непрерывным излу- чением при той же длине волны и средней мощности.

Большое число периодических изданий и монографий по лазеро- терапии приводит цифры энергетической экспозиции («терапевтиче-

65

ского коридора») лазерного излучения Н в Дж/см2 для непрерывных лазеров. Многочисленные исследования ряда ученых убедительно до- казали, что для лазеров одной длины волны биологический эффект проявляется при средней мощности импульсного излучения, значи- тельно меньшей по сравнению с мощностью непрерывного излучения, то есть его биологическая эффективность выше.

Есть мнение, что это происходит из-за совпадения частот модуля- ции с биоритмами процессов в органах и тканях. При лечениях патоло- гии челюстно-лицевой области, импульсное лазерное ИК-излучение дает такой же терапевтический эффект, как непрерывное, но при мощ- ности примерно в Кэф = 10 раз меньшей (где Кэф – коэффициент эффек- тивности). Это же явление отмечается целым рядом авторов, приводя- щих в своих трудах цифры усиления терапевтического эффекта при импульсном излучении. Эти цифры лежат в диапазоне от 7 до 10 раз.

Глубина проникновения лазерного излучения в биоткани челове- ческого организма зависит от длины волны. В диапазоне, соответст- вующем ближнему инфракрасному излучению, то есть порядка 0,74- 3,0 мкм (740-3000 нм), биологические ткани считаются оптически про- зрачными. Максимально эта прозрачность отмечается в интервале 0,8- 1,0 мкм.

Глубина проникновения излучения зависит также от поглощения его различными тканями. В частности, кожа, подкожная клетчатка, мышцы поглощают от 20 до 30%, кости – около 50%, а паренхиматоз- ные органы – до 100% энергии. Для сравнения лазерное излучение ап- паратов, работающих в диапазоне видимого света, например 0,63 мкм, проникает в биоткани на глубину не более 15 мм; и уже на первых мил- лиметрах теряет свою когерентность и поляризованность.

В организме человека имеется две категории фото- (свето-) зави- симых структур:

-первая структура – это фоторецепторы – специфическая свето- чувствительная биоткань, представленная сетчаткой глаза;

-вторая структура – это большая группа фотоакцепторов. Фотоакцепторы в силу своих свойств способны в той или иной

степени поглощать кванты света определенной длины волны. Среди них гемоглобин, циклические нуклеотиды, железо- и медьсодержащие ферменты системы цитохромов, почти все ферменты цикла, некоторые пигменты и другие структуры.

Для аппарата (длина волны λ = 0,89 мкм) основным поглощаю- щим компонентом организма является кровь. Концентрация энергии,

66

поглощенной кровью, в несколько раз превышает все остальные значе- ния.

Другим фотоакцептором инфракрасного лазерного излучения яв- ляется вода. Вода в организме находится в состоянии непрерывных микрофазных гель-зольных переходов. Связанная вода (главным обра- зом с молекулами белка) составляет всего около 5%, при этом каждая аминогруппа связывает 2,6 молекулы воды. При воздействии лазерного излучения меняется рН, электропроводность воды, степень раствори- мости в ней кислорода.

Еще одним аспектом биоэффекта инфракрасных лазеров является воздействие на кислород. В результате поглощения фотона молекуляр- ный киcлopoд переходит в очень короткоживущий синглетный кисло- род. Несмотря на короткий период жизни, он очень биохимически ак- тивен, особенно в отношении мембранных плазматических комплексов.

Один из основных биологических эффектов лазерного излучения

– влияние на К+ - Na+ – транспорт внутри и вне клетки. Это способству- ет быстрому снижению клеточного и тканевого отека.

В инфракрасном спектре энергия фотонов находится в пределах от менее 1 до 1,5 эВ. Этого достаточно для стимуляции электронного возбуждения атомов и активизации колебательных процессов в моле- кулах. Световая энергия почти полностью превращается в тепловую, приводя к тепловому расширению цитоплазмы и изменению свойств клеточных и внутриклеточных мембран. Напомним, что фотоны ин- фракрасного диапазона не могут нарушить сильные связи биополиме- ров. Это объясняет отсутствие отрицательного влияния квантовой те- рапии на организм при существовании широкого «терапевтического коридора».

Есть данные, что особенность излучений инфракрасной области заключается в отсутствии резонансного поглощения этих фотонов био- тканями. Резонансное поглощение возникает, когда энергия фотона равна разности энергии нормального состояния атома и энергии самого нижнего уровня возбуждения. Энергия кванта на длине волны 0,89 мкм (аппарата квантовой терапии) не достигает этой разности. Однако, по- видимому, именно из-за отсутствия резонансного поглощения ИК - из- лучение более глубоко проникает в биоткани и вызывает фотофизиче- ские реакции на мембранах. В результате появления градиента темпе- ратуры происходит термодиффузионный отток К+ И Na+ от мембран, раскрываются мембранные каналы, ионы выходят из клеток, стремясь восстановить электрохимический ионный баланс, из клетки уходит не- связанная вода и повышается ее потенциальная энергия.

67

Это касается как структурных органных клеток, так и иммуно- компетентных клеток крови и тканевых структур, гистиоцитов, фиб- робластов, лейкоцитов, лимфоцитов и т.д. В результате деятельности специфических клеточных структур растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов, медиаторов нервных синапсов, эстрогенов, 17-оксикетостероидов, простогландинов, β-эндорфинов, идет накопление АТФ и происходят другие биохимические превраще- ния. Условно разделим биоэффекты на три категории:

1)Первичные эффекты, для инфракрасного диапазона чаще субъ- ективно не регистрирующиеся. Объективизация возможна специаль- ными биофизическими и биохимическими методами.

2)Вторичные эффекты – развитие срочной адаптации и компенса- торных реакций, возникающих в результате реализации первичных эф- фектов.

3)Эффекты «последействия» – развитие долгосрочной адаптации, конструктивизация течения патологических процессов, закрепление компенсаторных реакций [33, 34].

68

3.4. Схема последовательности биохимических превращений

Звенья этого процесса работают в зависимости от сиюминутной ситуации в организме, связанной с течением конкретной патологии, а не от самого фотовоздействия. В результате срабатывает механизм за-

Рис. 22 Схема последовательности биохимических превращений

пуска при сохраненных компенсаторных способностях (возможностях) организма, запускается цепь преобразований, а адаптационные реакции реализует сам организм. Поэтому так мало первичных актов и так мно- гообразны вторичныe проявления и конечные результаты, часто пре- восходящие в итоге самые смелые прогнозы и ожидания.

Схема (рис. 22) не исчерпывает все известные биоэффекты низ- коэнергетического лазерного излучения. Помимо представленных звеньев, отмечается гипохолестеринемическое действие, что является важным фактором в терапии многих патологических процессов, в том числе атеросклероза.

Доказано мощное антиоксидантное действие низкоэнергетиче- ского лазерного излучения. Эффект квантовой терапии при неинвазив- ном облучении крови тем выраженнее, чем выше уровень ацидоза. Ог- ромное прикладное значение имеет выраженное рефлекторное воздей- ствие на перистальтику кишечника и мн. др.

Биостимуляция, точнее ее промежуточный и конечный резуль- таты, заключающиеся в развитии процессов срочной и долгосрочной адаптации, в большей степени зависит не от самого фотовоздействия, а от сиюминутного состояния здоровья организма, от его компенсатор- ных возможностей. Очевидно, что поглощение квантов света элемен- тами биоткани запускает целый ряд разнообразных биохимических ре-

69

акций и биологических проявлений. Эти процессы зависят как от физи- ческих характеристик конкретного аппарата, то есть от количества и качества энергии, доставляемой тканям, так и, в первую очередь, от состояния в каждом конкретном случае компенсаторных механизмов и всех адаптационных систем. При полном парезе этих механизмов по- ложительный ответ на лазеротерапию проблематичен.

При сохранении компенсаторных возможностей положитель- ный ответ на квантовую терапию реален, но здесь следует учесть неко- торые обстоятельства. При значительном превышении дозировок (уве- личение экспозиций, применение неоправданно высоких частот и т.п.) современные исследователи описывают в литературе состояние, полу- чившее у некоторых авторов название «лазерная болезнь».

Данные исследований свидетельствуют, что это состояние, за- ключающееся в обострении некоторых симптомов основного или со- путствующих недугов, характерно для передозировки лазерного воз- действия. При наличии патологического процесса в организме сосуще- ствуют нормальные и патологические структуры и функции. Рассмат- ривается несколько причин «лазерной болезни». Одной из них считает- ся истощение элементов структуры адаптационных механизмов при неадекватной дозировке: дефицит антиоксидантов, избыток синглетно- го кислорода, образование избытка растворимого коллагена со связы- ванием ионов меди. Другая возможная причина – фотоактивация как нормально функционирующих структур, так и патологических. По- видимому, причины возможных обострений этим не исчерпываются, но и они вполне реально объясняют механизм возникновения обострений при передозировке энергетического воздействия (рис. 23).

Некоторые авторы видят здесь и положительную сторону, счи- тая, что обострение процесса свидетельствует об имеющихся значи- тельных резервах иммунной и других компенсаторных систем. Эти же резервы обеспечивают довольно быстрое затухание симптомов «лазер- ного обострения» при профилактическом назначении антиоксидантов, уменьшении дозировок и т.п. В случае квантовой терапии мы имеем дело с чрезвычайно малыми уровнями энергии. Приводимые методики с указанием времени и частот статистически достоверно не вызывают у пациентов обострения. Однако следует допустить возможность нали- чия у некоторых пациентов индивидуальной

70