Способ определения оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза и устройство для его осуществления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАЗЕРОФОРЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Железнякова Татьяна Александровна Рыжевич Анатолий Анатольевич Солоневич Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Способ определения оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза, при котором излучение от каждого из источников от 3 до 20 различных длин волн в области спектра 600-1000 нм с плотностью мощности 0,5-100 мВт/см 2, прошедшее через нанесенный на биоткань слой вводимого препарата, последовательно направляют на биоткань под одинаковым углом падения (до 45), последовательно измеряют мощность выходящего из биоткани излучения со стороны ввода на одинаковом расстоянии (0,3-8 мм) от места ввода излучения в биоткань для каждого из указанных источников, для каждого 16362 1 2012.10.30 источника вычисляют отношение мощности выходящего из биоткани излучения к мощности выходящего из источника излучения, а в качестве оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза выбирают диапазон, ограниченный длинами волн, при которых вычисленные отношения являются наибольшими. 2. Устройство для определения оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза, содержащее измеритель мощности лазерного излучения, от 3 до 20 лазерных диодов различных длин волн в области спектра 600-1000 нм с плотностью мощности 0,5-100 мВт/см 2, по меньшей мере одну непрозрачную для используемого излучения каналирующую перегородку, предпочтительно в виде круглой в сечении трубки,для предотвращения попадания отраженного от поверхностей слоя вводимого препарата и биоткани излучения в измеритель мощности, причем измеритель мощности и лазерные диоды расположены по одну сторону относительно исследуемого образца биоткани,устройство выполнено с возможностью обеспечения одинакового угла падения (до 45) излучения от каждого из указанных диодов на биоткань, последовательного измерения мощности выходящего из диода излучения для каждого из указанных диодов, последовательного измерения мощности выходящего из биоткани излучения на одинаковом расстоянии (0,3-8 мм) от места ввода излучения в биоткань для каждого из указанных диодов. Предлагаемое изобретение относится к области лазерной медицины и может быть использовано в биологии и медицине для профилактики и лечения заболеваний людей и животных с помощью фотофореза, в частном случае лазерофореза. Фотофорез (в частном случае лазерофорез) является одним из способов введения лекарственных препаратов в биоткань под действием светового (в частном случае лазерного) излучения. Из 1 известно, что в зависимости от вида биоткани и состояния организма существует оптимальный диапазон длин волн светового излучения для проведения лазерофореза. Оптимальными являются длины волн излучения, обеспечивающие наибольшую эффективность лазерофореза. Эффективность лазерофореза тем больше, чем больше глубина проникновения в биоткань вводимого препарата и чем больше количество препарата внутри биоткани после проведения процедуры. Наиболее часто использующимся способом определения оптимальных параметров фотофореза, в том числе длины волны светового излучения, является наблюдение состояния и (или) функционирования организмов или органов в результате нескольких серий процедур, проведенных при различных параметрах на нескольких группах подопытных организмов (например, в 2-4). Существенным недостатком этого косвенного способа является необходимость использования большого количества подопытных организмов и отсутствие возможности подбора оптимальной длины волны для конкретного организма,находящегося в текущий момент в определенном состоянии. Само собой разумеется, что с помощью данного способа определить оптимальную длину волны излучения можно только после проведения серии или нескольких серий процедур фотофореза. Эффективность введения препарата посредством светового излучения можно определить с помощью радиометрии, вводя в качестве радиофармпрепарата какой-либо радиоактивный изотоп, например 131 с активностью 5 МБк, фоновым излучением 48 имп/мин на 1 мл физиологического раствора,380 кэВ 3. Увеличение уровня радиоактивного излучения биоткани после проведения процедуры указывает на содержание препарата. Данный способ и оборудование для его реализации не позволяют определять содержание вводимого препарата, если он не является радиоактивным. Для определения эффективности фотофореза при различных параметрах излучения используют спектрофотометрический способ 5, определяя по интенсивности линий спектра содержание вводимого препарата в биоткани. Однако применить этот способ и 2 16362 1 2012.10.30 соответствующее устройство можно только после проведения процедуры фотофореза на нескольких образцах или сериях образцов при различных длинах волн излучения. В 1 предложен способ, использующий люминесцентную микроскопию, посредством которого, применяя поочередно несколько лазерных диодов, генерирующих лазерное излучение различных длин волн, определяют диапазон длин волн, при которых введение препарата посредством лазерофореза осуществляется наиболее эффективно с помощью микроскопа регистрируют люминесценцию среза биоткани, и, чем больше интенсивность люминесценции, тем больше эффективность лазерофореза. Данный способ и устройство для его реализации не позволяют определить диапазон наиболее эффективных для лазерофореза длин волн до проведения процедуры лазерофореза с несколькими образцами. С помощью этих способа и устройства нельзя определить оптимальный диапазон длин волн без разрушения исследуемой биоткани. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения оптимальной длины волны для проведения лазерофореза, в котором,пропуская излучение сквозь образец биоткани, с помощью измерителя мощности лазерного излучения в качестве оптимальной определяют длину волны излучения в области спектра 6001000 нм, обеспечивающую наименьшее поглощение при распространении излучения в биоткани 1. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, состоящее из нескольких лазерных источников, генерирующих излучение различных длин волн в области спектра 6001000 нм при плотности мощности, не оказывающей разрушающего воздействия на биоткани (0,5100 мВт/см 2), и измерителя мощности лазерного излучения, причем лазерные излучатели и измеритель мощности находятся с противоположных сторон образца. Однако данный способ и устройство для его реализации предполагают исследование на пропускание излучения серии образцов биоткани, т.е. изъятых из организма, что не всегда возможно и не всегда целесообразно в медицинской практике. Для измерений требуется образец размерами по крайней мере в несколько миллиметров, удалять который из организма в подавляющем большинстве случаев нежелательно. Кроме того, данные способ и устройство не учитывают оптическое поглощение вводимого препарата, поскольку для измерений используется только образец биоткани. Задачей настоящего изобретения является предваряющее процедуру лазерофореза, не разрушающее биоткань организма определение диапазона таких длин волн излучения, при которых в текущий момент для данного организма и данного вводимого препарата лазерофорез будет наиболее эффективным непосредственно в месте проведения процедуры. Поставленная задача решается тем, что в способе определения оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза излучение от каждого из источников от 3 до 20 различных длин волн в области спектра 600-1000 нм с плотностью мощности 0,5-100 мВт/см 2, прошедшее через нанесенный на биоткань слой вводимого препарата, последовательно направляют на биоткань под одинаковым углом падения (до 45), последовательно измеряют мощность выходящего из биоткани излучения со стороны ввода на одинаковом расстоянии (0,3-8 мм) от места ввода излучения в биоткань для каждого из указанных источников, для каждого источника вычисляют отношение мощности выходящего из биоткани излучения к мощности выходящего из источника излучения, а в качестве оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза выбирают диапазон, ограниченный длинами волн, при которых вычисленные отношения являются наибольшими, а устройство для определения оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза, содержит измеритель мощности лазерного излучения, от 3 до 20 лазерных диодов различных длин волн в области спектра 600-1000 нм с плотностью мощности 0,5-100 мВт/см 2, по меньшей мере одну непрозрачную для используемого излучения каналирующую перегородку, предпочтительно в виде круглой в сече 3 16362 1 2012.10.30 нии трубки, для предотвращения попадания отраженного от поверхностей слоя вводимого препарата и биоткани излучения в измеритель мощности, причем измеритель мощности и лазерные диоды расположены по одну сторону относительно исследуемого образца биоткани, устройство выполнено с возможностью обеспечения одинакового угла падения (до 45) излучения от каждого из указанных диодов на биоткань, последовательного измерения мощности выходящего из диода излучения для каждого из указанных диодов, последовательного измерения мощности выходящего из биоткани излучения на одинаковом расстоянии (0,3-8 мм) от места ввода излучения в биоткань для каждого из указанных диодов. Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-7, где на фиг. 1 показана фотография установки для исследования светового излучения, выходящего из биоткани на расстоянии более 1 мм от места введения излучения в биоткань на фиг. 2 - фотография для масштабирования распределения интенсивности выходящего из биоткани света по координате на фиг. 3 - фотография выходящего из биоткани излучения, полученная с помощью -камеры на фиг. 4 - распределение интенсивности выходящего из биоткани света в зависимости от расстояния до места ввода излучения при двух значениях выходной мощности излучения лазерного источника на фиг. 5 - схема одного из возможных вариантов компактного устройства для реализации предлагаемого способа на фиг. 6 фотография одного из вариантов устройства для реализации способа определения оптимального диапазона длин волн излучения для проведения лазерофореза, изготовленного авторами (вид снизу) на фиг. 7 - фотография варианта предлагаемого устройства для реализации предлагаемого способа в рабочем положении. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. При прохождении светового излучения внутри биоткани на всевозможных оптических микронеоднородностях неизбежно происходит рассеяние света в различных направлениях, в том числе и в полусферу пространства, обращенную вершиной в сторону, обратную первоначальному направлению света, поэтому свет может выходить из ткани. Свет, рассеянный в биоткани перпендикулярно первоначальному направлению распространения, может быть вновь рассеян перпендикулярно уже новому своему направлению распространения таким образом, что он выйдет из биоткани наружу, причем на некотором расстоянии от места ввода его в биоткань. Выход наружу может происходить в результате одного, двух и более актов рассеяния. Выход наружу света с длиной волны 633 нм, введенного в биоткань при мощности излучения 16 мВт перпендикулярно ее поверхности, проиллюстрирован фотографией на фиг. 1. Каналирующая трубка при введении света использовалась для того,чтобы изолировать свет, отражающийся во всех направлениях от шероховатой поверхности биоткани. Для построения зависимости интенсивности выходящего из биоткани излучения от расстояния от каналирующей перегородки-трубки использовалась фотография,приведенная на фиг. 2. Количество рассеянного и вышедшего из биоткани на некотором расстоянии от места входа света, прежде всего, зависит от мощности входящего излучения. На фиг. 4, полученной путем обработки кадров, пример которых показан на фиг. 3,показано, что мощность излучения, выходящего из биоткани в результате рассеяния, прямо пропорциональна мощности вводимого в биоткань излучения. Так, при использовании,например, излучения с мощностью, меньшей в 2 раза по сравнению с предыдущей, интенсивность выходящего из биоткани излучения везде падает в 2 раза, что и продемонстрировано на фиг. 4. Кроме того, мощность выходящего из биоткани излучения зависит от длины волны излучения. Выходящий свет проходит в биоткани некоторое расстояние, и мощность выходящего света тем выше, чем меньше поглощается данной биотканью излучение данной длины волны. Мощность выходящего из биоткани излучения может зависеть еще и от коэффициента рассеяния и параметра анизотропии рассеяния биоткани,однако в области длин волн, которая наиболее пригодна для лазерофореза (6001000 нм),коэффициенты рассеяния и параметры анизотропии рассеяния биоткани практически оди 4 16362 1 2012.10.30 наковы 6. Таким образом, измеряя для различных длин волн отношение интенсивностей входящего в биоткань и выходящего на некотором расстоянии от места ввода света и затем сравнивая эти отношения, можно выделить диапазон длин волн, для которых поглощение в биоткани минимально. Расчет отношения интенсивностей позволяет избавиться от необходимости выравнивать или устанавливать конкретные начальные интенсивности для различных источников лазерного излучения. Поскольку свет, направляемый в биоткань в соответствии с предлагаемым способом, проходит и через слой вводимого препарата, в рассчитываемом отношении учитываются также оптические свойства этого препарата, влияющие на то, излучение какой мощности дойдет до биоткани и затем выйдет из нее в результате рассеяния. Основное влияние на интенсивность света, проходящего через препарат, оказывают коэффициент преломления, как следствие, коэффициент отражения и коэффициент поглощения препарата. Следует отметить, что лазерное излучение с интенсивностью от 0,5 до 100 мВт/см 2 с длиной волны 6001000 нм при воздействии на все виды биоткани, кроме сетчатки глаза, в течение времени, необходимого для проведения измерений (не более 30 с), не нанесет им вреда. Техническое воплощение способа посредством предлагаемого устройства также вполне осуществимо. Выпускаются серийно компактные источники лазерного излучения - лазерные диоды, генерирующие излучение с различными длинами волн в области 6001000 нм. Они помещаются в идентичные друг другу модули-корпуса, снабженные оптикой, исправляющей пучки светового излучения. Модули с помощью специально изготовленного корпуса могут быть закреплены по окружности вокруг приемного элемента измерителя мощности, как это показано на фиг. 5-6, чтобы обеспечить одинаковые геометрии распространения света для всех источников излучения. Поочередное включение излучения лазеров можно производить как вручную, так и автоматически при наличии контроллера либо контроллера и соответствующей компьютерной программы. Для изготовления непрозрачной для лазерного излучения каналирующей перегородки нужно использовать некоррозирующие материалы - сплавы алюминия или, предпочтительно, нержавеющую сталь,поскольку перегородка в соответствии с предлагаемым способом должна препятствовать попаданию отраженного от биоткани света в приемник измерителя, а для этого она должна плотно соприкасаться с поверхностью биоткани, покрытой слоем вводимого препарата. Излучение, выходящее из биоткани, даже в дневное время хорошо видно невооруженным глазом (фиг. 1), поэтому не представляет технической сложности зарегистрировать и профотометрировать его с помощью -камеры (фиг. 2-4). Кадр на фиг. 2 предназначен для масштабирования координаты, соответствующей расстоянию от каналирующей трубки. На фиг. 3 стрелка совпадает с линией, вдоль которой записаны значения интенсивности для построения распределения интенсивности в зависимости от расстояния от каналирующей трубки. Для измерения мощности можно использовать серийные измерители мощности, например, производства(Израиль). Для измерения могут использоваться сменные измерительные головки типа 300-1-, поскольку при использовании лазерного излучения мощностью 100 мВт мощность выходящего из биоткани излучения может составить величину порядка 1 мкВт 0,1 мВт в зависимости от расстояния, которое проходит излучение внутри биоткани. Сигналы измерителя по результатам измерений могут быть обработаны для расчета отношений интенсивности как вручную, так и автоматически, т.е. с помощью контроллера либо контроллера и соответствующей компьютерной программы. На фиг. 5 показана одна из возможных конструкций предлагаемого устройства. Цилиндрическая компоновка фотоприемника 5 измерителя мощности и установленных вокруг него по линии окружности лазерных диодов (ЛД) 4 дает возможность обеспечить одинаковое расстояние от каждого ЛД до фотоприемника. В зависимости от мощности используемых ЛД расстояние должно выбираться от 0,3 до 8 мм. Количество ЛД, излучающих с различными длинами волн в диапазоне 6001000 нм, может варьироваться от 3 до 5 16362 1 2012.10.30 20 в зависимости от необходимой точности определения оптимального для лазерофореза диапазона длин волн. Окошки 8 в корпусе 1 устройства пылевлагонепроницаемо закрыты стеклами 3. Снаружи корпуса окошки окружены кольцевыми каналирующими перегородками 9 со скругленным профилем торцов, предохраняющими стекла 3 от непосредственного контакта с биотканью и препятствующими попаданию света от ЛД в фотоприемник 5 в результате многократных переотражений от поверхностей устройства и кожи. ЛД могут попеременно испускать порции лазерного излучения. Фотоприемник 5 для каждого из ЛД может регистрировать значения мощности излучения, дошедшего до него в результате рассеяния внутри биоткани. После этого все стекла 3 могут закрываться светонепроницаемой крышкой, отверстия 7 могут закрываться светонепроницаемыми экранами 2 перед отверстиями 6 в центральной трубчатой перегородке корпуса для проведения поочередных измерений мощности всех ЛД. Отверстия 6 единообразно расположены на радиальных линиях, соединяющих каждый из ЛД с фотоприемником. Данная конструкция предлагаемого устройства может быть весьма компактной. Минимальные размеры устройства определяются размерами фотоприемника, ЛД и их количеством. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. В зависимости от необходимой точности в определении диапазона длин волн выбирают необходимое количество лазерных источников, генерирующих излучение в области спектра 6001000 нм при плотности мощности выходного пучка в рабочей зоне 0,5100 мВт/см 2. Медицинский препарат, предназначенный для введения, наносят на поверхность облучаемой биоткани пациента, объект облучения при необходимости иммобилизуют специальными фиксаторами. Излучение всех излучателей поочередно направляют на биоткань в предполагаемое место проведения процедуры лазерофореза и для всех имеющихся излучателей производят поочередное измерение мощности излучения, выходящего наружу из биоткани на одинаковом для всех излучателей расстоянии (0,38 мм) от места входа излучения в биоткань. Вычисляют отношение мощности излучения на выходе из биоткани к мощности излучения на выходе из излучателя. Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, содержащего измеритель мощности лазерного излучения и 320 лазерных диодов, каждый из которых генерирует лазерное излучение различных длин волн в области спектра 6001000 нм с плотностью мощности 0,5100 мВт/см 2. Угол падения излучения на биоткань для всех излучателей одинаков и составляет 045. Конструкция устройства обеспечивает одинаковую геометрию пути излучения для всех излучателей и возможность поочередного измерения мощности лазерного излучения, выходящего из каждого излучателя, и излучения, выходящего из биоткани на расстоянии 0,38 мм от места входа излучения в биоткань. Фотоприемник измерителя мощности находится на оси непрозрачной для используемого лазерного излучения каналирующей перегородки в виде трубки, которая препятствует попаданию в фотоприемник измерителя мощности отраженного от поверхности биоткани излучения. Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Устройство приводят в контакт с поверхностью исследуемой биоткани, на которую нанесен слой вводимого препарата. Энергетические и временные параметры излучения для каждого ЛД заблаговременно задают либо посредством блока питания лазера, либо внешним модулятором излучения таким образом, чтобы плотность мощности излучения, попадающего на биоткань, находилась в пределах 0,5100 мВт/см 2. Измеритель мощности, входящий в состав устройства, поочередно измеряет мощность излучения, выходящего из биоткани на расстоянии 0,38 мм от места входа излучения в биоткань для каждого из излучателей. Мощность каждого излучателя измеряется в зависимости от конструкции устройства либо до,либо после, либо в процессе измерения мощностей выходящего из биоткани излучения. Поскольку коэффициенты рассеяния и параметры анизотропии рассеяния биоткани для 6 16362 1 2012.10.30 всех длин волн в диапазоне 6001000 нм практически одинаковы, по величине рассчитанных вручную либо автоматически отношений мощностей излучения ЛД к мощностям излучения тех же ЛД, дошедшего до приемника через биоткань в результате рассеяния,можно судить о том, излучение какого из ЛД проходит сквозь биоткань лучше. Для повышения достоверности при определении оптимальной длины волны желательно производить несколько измерений, изменяя ориентацию измерительной головки путем ее вращения вокруг оси, проходящей через центр симметрии фотоприемника. Возможность реализации предлагаемого изобретения и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Предлагаемый способ реализован с помощью устройства, изготовленного авторами предлагаемого изобретения (фиг. 6-7), содержащего измеритель мощности производствас измерительной головкой типа 300-1 и 5 ЛД, генерирующих излучение с длинами волн в диапазоне 600-1000 нм 6501 (35 мВт, 660 нм), 6738 (35 мВт, 690 нм), 7140-201 (80 мВт, 785 нм),808030 (30 мВт, 808 нм) и 5032-001 (40 мВт, 830 нм). В скобках указаны длина волны и максимальная мощность каждого излучателя. При реализации способа все излучатели были настроены на одинаковую мощность - 30 мВт. По результатам измерений с используемыми ЛД и образцами биоткани свиньи оптимальный диапазон для проведения лазерофореза оказался заключенным между 785 и 808 нм для жировой ткани и между 808 и 830 нм для мышечной ткани. Такие же результаты получены и при непосредственном измерении пропускания излучения различных длин волн данными образцами. Измерения могут производиться, т.е. не требуется специальной подготовки образцов биоткани, что существенно сокращает время, требующееся для проведения измерений. Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют до проведения процедуры лазерофореза определить оптимальный для ее проведения диапазон длин волн светового излучения в предполагаемом месте проведения процедуры без разрушения биоткани. Источники информации 1. Солоневич С.В., Рыжевич А.А., Бушук С.Б., Железнякова Т.А., Кугейко М.М., Лисенкова А.М. Метод определения эффективности лазерофореза // Журн. прикл. спектр. 2009. - Т. 76. -6. - С. 939-945. 2. Низкоинтенсивная лазерная терапия Сборник трудов / Под общ. ред. С.В. Москвина, В.А. Буйлина. - М. ТОО Фирма Техника, 2000. - С. 397-398. 3. Красногорская В.Н. Лечение атеросклеротических макулодистрофий методом прямого лазерофореза Автореф. дис. канд. мед. наук 14.00.08. Амурская государственная медицинская академия. - Красноярск, 1996. - С. 7-12. 4. Дугинов А.Г., Иойлева Е.Э., Шацких А.В., Зеленцов С.Н., Диденко Т.В. Экспериментально-клиническое обоснование комбинированного метода лечения частичной атрофии зрительного нерва // Офтальмохирургия. - 2008. -5. - С. 24-28. 5. Лисенкова А.М., Железнякова Т.А., Сенчук В.В. Экспериментальное исследование эффективности лазерного метода регуляции транспорта антибиотиков через модель кожного покрова // Спектральные приборы для аналитических применений. Перспективные разработки. Белорус. гос. ун-т / под. ред. Е.С. Воропая. - Минск Изд. центр БГУ, 2005. С. 174-192. 6. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. - Саратов Изд-во Саратовск. ун-та, 1998. - С. 40-49. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9