Механизм действия лазерного излучения на биологические

122
Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.2, 2008
УДК 615.83
В.И. Бойко, д-р техн. наук, Л.П. Ларичева, канд. техн. наук, Л.М. Дехтярева
Механизм действия лазерного излучения на
биологические объекты
Рассмотрен механизм воздействия лазерного
излучения на биологические объекты с различных точек зрения – электронной теории, модели
переноса нервного импульса. Показана зависимость терапевтического эффекта от параметров
лазерного излучения.
Influence of a laser radiation to biological objects has been took up from different points of view:
the electronic theory, the transaction model of neural
impulses. Dependence of LR’s therapeutic effect
from different operation factors has been shown.
Введение
Лазерное излучение (ЛИ) – это электромагнитное
излучение оптического диапазона, обладающее такими свойствами света, как когерентность, монохроматичность, поляризованность, направленность потока излучения. Это позволяет создавать строго определенную мощность лечебного воздействия на
биообъект. Основной точкой приложения ЛИ является кожа, в 1 см2 которой находится 6500 капилляров,
200-200 болевых точек, 143-330 потовых желез, 4-380
капиллярных желез, 500 волосяных фолликулов,
70000 белых отросчатых эпидермицитов, что обуславливает многообразие местной реакции на ЛИ.
При любой патологии организма в первую очередь происходит нарушение микроциркуляции крови
локального, регионального или системного характера. Отмечается изменение диаметров артериол и
венул, их соотношения. Диаметр изменяется неравномерно по ходу микрососуда, появляется извитость,
закрученность, образуются эритроцитарные агрегаты, иногда - стаз в микрососудах. В результате образования и скопления холестерина и других липидов
изменяется клеточная оболочка и, как следствие этого, ухудшается проходимость сосудов и капилляров.
В результате резко ухудшается транспортная функция эритроцитов и кислородный обмен, как на клеточном, так и на органном уровне.
Красное и инфракрасное лазерное излучение
улучшает микроциркуляцию за счет ускорения кровотока и образования новых капилляров. Происходит
расширение артериол, включаются резервные капилляры, что ведет к повышению клеточного обмена
и температуры тканей. Нормализуется проницаемость стенки сосудов, мембран, уменьшается отек,
агрегация эритроцитов, спазм сосудов, кровоток становится ровным, исчезает его прерывистость (зернистость), активизируется транскапиллярный обмен.
Механизм действия лазера на организм очень
сложен и до конца не раскрыт. В данной статье, используя различные подходы, авторы сделали попытку разобраться, что же происходит в организме при
воздействии на него лазерным излучением различных параметров.
Основная часть
Известно, что в течении заболеваний (клиника,
скорость и эффективность лечения) важную роль играет иммунная система организма. Лазерное излучение повышает устойчивость организма к повреждающему действию различных агентов вследствие стимуляции иммунной системы. Об этом свидетельствует
увеличение числа и активность Т- и В-лимфоцитов в
процессе облучения. Образуются активные формы
кислорода, которые стимулируют фагоцитоз и бактерицидную активность фагоцитов. В лимфоузлах возрастает число плазмоцидов, лимфоидных клеток и
бластов. В крови повышается содержание опиатов и
иммуноглобулинов, снижается количество лейкоцитов,
гранулоцитов, Т-супрессоров. Значительную роль в
объяснении этих процессов авторы современных публикаций отводят физико-химическим изменениям
мембран клеток и примембранных слоев, организующим фактором которых являются ионы кальция [1].
Поскольку известно, что лазерное излучение вызывает морфологические и функциональные изменения в нервной системе и оказывает действие на
структуру и функции нервной системы, представляет
интерес рассмотреть взаимодействие когерентного
лазерного излучения с возбудимой биологической
тканью на основе модели переноса нервного
импульса.
Огромное количество параллельно расположенных в мембране ионных каналов обладает довольно
большой индуктивностью. Плавное изменение ионных токов при возбуждении нейромембраны является проявлением действия закона электромагнитной
индукции. Ионные каналы взаимодействуют друг с
другом в процессе деполяризации нейромембраны с
помощью электрического и магнитного полей.
Когерентное лазерное излучение будет оказывать влияние на распространение потенциала действия, если открытый колебательный контур - ионный
канал будет резонировать на частоту электромагнитных волн лазера.
Циклическую частоту резонанса можно найти по
формуле [2]:
ω=
1
,
LC
где ω – циклическая частота электромагнитных волн;
С – емкость одного канала, которую можно найти из
условия, что мембрана миелинизированного нервного
волокна
имеет
удельную
емкость
2
4
2
Сm=0,05мкФ/см =5*10 Ф/м .
Учитывая площадь мембраны, приходящуюся на
один канал, имеем: C=Cm*S=5*10-20Ф.
Исходя из того, что индуктивность одного канала
-12
L=Lm*S = 2*10 Гн, резонансная частота соста15 -1
вит: ω =3*10 с .
Биомедицинские приборы и системы
Имея в виду, что
2πVc
ω=
,
λ
где Vс – скорость света; λ – длина волны лазерного
излучения; найдем, какая длина волны лазерного
излучения будет наиболее эффективной. Принимая
Vс=3*108 м/с, найдем:
λ=
2πVc
= 630*10-9 м = 630 нм
ω
Полученное значение длины волны совпадает с
длиной волны красного света, излучаемого гелийнеоновым лазером. Именно этот тип лазера наиболее часто и эффективно применяется в лазеротерапии. Возбуждение ионных каналов - колебательных
контуров в мембранах биологических тканей когерентным лазерным излучением, по-видимому, объясняет терапевтическое действие этого излучения.
Из проведенного биофизического анализа можно
сделать вывод, что излучение гелий-неонового лазера оказывает, в основном, активационный характер
на мембранные процессы в организме.
Именно лазерное излучение в области длин волн
0,63-1,3 мкм влияет на физические параметры биологических тканей, изменяет интенсивность биохимических реакций, состояние функциональных систем.
С химической точки зрения воздействие лазерного
излучения на организм можно объяснить с точки зрения
электронной теории. Поглощение кванта света (электрона высокой энергии) приводит электроны атома вещества, находящиеся ближе к ядру на орбите с низкой
энергией, в возбуждение, вследствие чего они перемещаются на орбиту с более высокой энергией. Возбужденные электроны спонтанно переходят на промежуточную орбиту, излучая при этом фотон (квант света) с
энергией, равной разности энергии двух орбит. В результате происходит либо присоединение, либо потеря
электрона атомом вещества, поглощающим свет. На
молекулярном уровне это может приводить к ионизации, окислению или восстановлению вещества, диссоциации и изомеризации молекул, либо разрушению
(лизису) вещества.
Фотоактивирующее действие ЛИ зависит от величины энергии поглощенного кванта света, которая
обуславливает степень возможной реакции и общего
количества поглощенной энергии (квантов света) в
единицу времени.
Взаимодействие лазерного света с тканями подчиняется законам оптики – отражается, проникает,
преломляется, огибает, накладывается. Отражается
от поверхности биоткани около 43 – 55% падающего
светового потока. Коэффициент отражения кожей
лазерного излучения зависит от многих причин. У
женщин он выше на 5 – 7% , чем у мужчин; у стариков после 60 лет - ниже, чем у молодых; у белой кожи
- на 6 – 8% выше, чем у пигментированной. При охлаждении кожи коэффициент отражения снижается
на 10 – 15%, при увеличении угла падения луча возрастает в десятки раз. Проникшее ЛИ многократ-
123
но рассеивается, поглощается и преобразуется в
энергию колебаний, электронного возбуждения, диссоциации, ионизации молекул, что активизирует биологические соединения. Часть энергии идет на возбуждение вторичного излучения в ткани, которое
действует на незначительном расстоянии.
Ткани организма являются многослойной рассеивающей средой, толщина и структура которой влияют
на поглощение ЛИ. Коэффициент пропускания света
при большом числе слоев должен убывать экспоненциально, но в ткани происходит нарушение этого
вследствие многократного отражение излучения и
разной плотности «упаковки клетки».
Наибольшей проникающей способностью через
кожу обладают волны длиной 650–1200 нм, так называемый диапазон «оптической прозрачности ткани».
Глубже всего, до 70 мм, проникают ИК-лучи длиной
волны 0,8–1,0 мкм (ближний диапазон ИК). ИК-волны
длиной 450–590 нм проникают на глубину 0,5-2,5 мм;
630 нм – на глубину 25 мм, причем 40% волновой
энергии рассеивается и отражается.
Ткани поглощают ЛИ избирательно: кровеносные
сосуды поглощают ИК- излучение длиной волны 193,
248, 308 нм (УФ-диапазон) и 10,6, 2,94 мкм (ИКдиапазон), глубина проникновения при этом составляет 1-20 мкм. В мягкие ткани лазерное излучение с
длиной волны 630 нм проникает на глубину 15 мм,
800-1000 нм (0,8-1 мкм) – на глубину 40 мм, а в костную ткань - на 25 мм. В диапазоне 600 –1400 нм кожа
поглощает 25-40% излучения, мышцы и кости – 3080%, паренхиматозные органы (печень, селезенка,
сердце, поджелудочная железа) - до 100% [3].
Проходя через ткани, ЛИ изменяет свои физические свойства, в первую очередь, теряя когерентность и поляризованность уже на глубине 200 мкм.
Глубже оно действует как обычный свет соответствующей длины волны.
Интенсивность светового потока при прохождении через ткани экспоненциально уменьшается в
зависимости от длины пути и концентрации вещества
в ткани (плотности). Экспоненциальная зависимость
применима для проникновения излучения в оптически однородные ткани, к которым можно отнести ткани от поверхностного слоя кожи до внутренних органов, исключая кости, крупные кровеносные сосуды,
различные внутренние полости и иные оптические
неоднородности. Каждая ткань обладает своими оптическими характеристиками, которые существенно
зависят от длины волны излучения (рис.1).
Фотохимические реакции в ткани происходят при
возбуждении колебательных процессов в молекулах
вещества, и активации возбуждения электронов атомов, если внешняя энергия равна или превышает энергию молекулярных связей и атомарных процессов.
Лазерное излучение видимого диапазона спектра
имеет энергию фотонов 2,0 – 3,1 ЭВ, что достаточно
для диссоциации молекул и активации фотохимических превращений. Следовательно, происходит переход световой энергии в химическую энергию. При
124
Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.2, 2008
Рис. 1. Зависимость глубины проникновения ЛИ от длины волны
этом возникают возбужденные состояния молекул.
Происходит их конформационная перестройка. Изменяются кислородный баланс и активность окислительно-восстановительных процессов, мембранный
потенциал клетки, pH межклеточной жидкости. Стимулируется электронный обмен в протоплазме клетки и, как следствие, ускоряются процессы метаболизма, такие как производство АТФ, потребление
кислорода, синтез РНК, ДНК, нуклеиновых кислот,
протеинов, коллагена. Улучшается микроциркуляция
и активизируется обмен внутритканевой жидкости.
Развиваются ответные комплексные адапционные
нейрорефлекторные и нейрогуморальные реакции с
активацией иммунной системы; увеличивается болевой порог восприятия нервных окончаний.
Изменение скорости метаболизма в ткани под
воздействием лазерного излучения (биоактивация) –
сложный многоэтапный процесс, включающий:
• поглощение кванта света ЛИ;
• первичные физико-химические реакции;
• промежуточный этап (образование фотосенсибилизированных веществ, перенос энергии на компоненты мембран);
• образование физиологически активных веществ;
• реакции нервной и гуморальной систем;
• полученный эффект.
Поглощение световой энергии, в первую очередь, осуществляется специальными светочувствительными рецепторами (хроматофорами) и светопереносчиками (акцепторами). Такими как гемоглобин,
циклические нуклеотиды, железо- и медьсодержащие
ферменты, пигменты, цитохромы, окислительновосстановительные ферменты и др. Взаимодействие
их с квантом света активизирует оксидантные системы, изменяет структуру и обмен РНК, ДНК, белков,
что стимулирует синтетические клеточные процессы.
После включения нейрогуморального звена регуляции формируется ответная реакция организма по
типу срочной или долговременной адаптации, что в
большей степени связано с физиологией патологического процесса, а ЛИ играет роль пускового механизма для нормализующих преобразований в тканях.
В организме происходит стимуляция обменных
процессов в зависимости от полученной дозы. Сначала стимуляция наблюдается на клеточном уровне,
затем – на тканевом и, в последнюю очередь, – на
уровне всего организма (рис. 2).
Если доза облучения меньше Dа, тo энергии излучения недостаточно для того, чтобы вызвать реакцию
организма - эффекта от лазерной терапии как бы нет.
Организм как бы «не замечает» лазерного излучения. При энергии выше Dа, наблюдается стимулирующий эффект, который в точке Opt максимален.
При увеличении дозы выше оптимальной Dopt эффект
снижается. Начиная с дозы DB наблюдается угнетающий эффект облучения, выражающийся в биодепрессивном действии лазерного излучения. Дальнейшее увеличение дозы (более Dс) вызывает сначала цитотоксическое и затем (при дозе Dф) – фототермическое действие.
Рис. 2. Уровни воздействия ЛИ в зависимости от дозы облучения
Биомедицинские приборы и системы
Выводы
Таким образом, можно утверждать, что терапевтическое воздействия лазерного излучения начинается с передачи энергии лазерного излучения биологической мембране клетки. Эта энергия запускает
фотофизические и фотохимические превращения
в клетках, затем ведет к образованию в тканях физиологически активных соединений, что, в свою очередь, активирует нейрогуморальные реакции и дает
конечный фотобиологический эффект.
Молекулярный уровень – это изменение синтеза
ДНК и РНК, увеличение АТФ в митохондриях, конформационные перестройки мембраны, изменение
показателей ионного транспорта, активация окислительно-восстановительных реакций.
Клеточный уровень – изменение редокспотенциала
клетки, увеличение пролиферативной активности, увеличение митотической активности.
125
На тканевом уровне возрастает интенсивность
кровенаполнения мелких сосудов (в 1,5 раза), увеличивается исходно суженный диаметр артериол
(на 20%), увеличивается диаметр венул (на 30-40%),
происходит повышение оксигенации.
Литература
1.
2.
3.
Вялько В.В., Берглезов М.А., Угнивенко В.И. Низкоинтенсивные лазеры в травматологии и ортопедии, Москва, 1998.- 81с.
Волобуев А.Н. Курс медицинской и биологической физики. Самара: «Самар. Дом печати»,
2002. – 432 с.
Шевченко
В.Л.
Основы
рационального
применения терапевтических лазеров, 2003. –
243 с.