Для достижения желаемого клинического результата лазерной терапии при выборе параметров низкоэнергетического лазерного воздействия необходимо учитывать особенности влияния на конечный результат: а) специфики действия на биосубстраты той или иной части оптического спектра излучения, б) отличий взаимодействия с биообъектом непрерывного и импульсного излучения, в) выходной мощность лазера, г) временных параметров воздействия. Энергия фотонов электромагнитного излучения оптического спектра составляет: -
в ультрафиолетовой части ( λ — 337 нм) — 379 кДж/моль (3,7 эВ); -
в синей части ( λ — 441 нм) — 272 кДж/моль; -
в голубой части ( λ — 488 нм) — 252 кДж/моль; -
в зеленой части ( λ — 510 нм) — 233 кДж/моль; -
в красной части ( λ — 633 нм) — 194 кДж/моль (2 эВ); -
в ближней инфракрасной части ( λ — 850 нм) — 136 кДж/моль (1,4 эВ). Энергетические взаимодействия в различных биологических структурах имеют следующие показатели (М. В. Волькенштейн, 1988; А. Б. Рубин, 1987). Энергетичностъ клеточных структур для нетепловых взаимодействий составляет 0,005-0,05 кДж/моль (Ю^-Ю-4 эВ). Термодинамический потенциал химических реакций в биологическом объекте равен около 0,8 кДж/моль (0,008 эВ), а потенциал биохимических превращений — 4-8 кДж/моль (0,004-0,08 эВ). Энергия образования спирального участка биополимера из 4-х звеньев составляет 10,5 кДж/моль (около 0,1 эВ), энергия конфор- мационного перехода молекулы ДНК из неустойчивой формы А в устойчивую форму В — около 13 кДж/моль (около 0,13 эВ) на нук- леотидную пару, а энергия внутреннего вращения пептидной связи макромолекулы — около 84 кДж/моль (около 0,9 эВ). Энергия конформационных изменений при взаимодействии медиатора с рецепторами клеточной мембраны составляет около 25 кДж/моль (около 0,2 эВ). Энергия водородных связей молекул равна 12,6-33,6 кДж/моль (0,1-0,3 эВ). Энергия ионных взаимодействий составляет от 40 до 400 кДж/моль (0,4-^1,15 эВ); ион-дипольных — 4-40 кДж/моль (0,04-0,4 эВ). Для разрыва химических (ковалентных) связей, определяющих первичную структуру биополимеров, необходима энергия, равная 146-680 кДж/моль (1,5-7 эВ). Если сопоставить энергетическую мощность фотонов электромагнитного излучения указанных длин волн с параметрами клеточной энергетики, то многое становится очевидным, что за счет большой энергии фотонов ультрафиолетовой и близко расположенной к ней видимой части оптического спектра происходит разрыв химических связей (сильных взаимодействий, определяющих цепное строение биополимеров), деструкция макромолекул, в первую очередь, белка. Этим обосновывается узкий терапевтический спектр применения излучения этих длин волн, а также возможность бактерицидного эффекта. В красной и ближней инфракрасной части оптического спектра излучения энергия фотонов уже сопоставима с энергетикой биологических структур и не вызывает повреждающего действия. В то же время этой энергии достаточно для разрыва слабых межмолекулярных связей, для активизации процессов метаболизма, для соответствующих конформационных перестроек макромолекул. Взаимодействие с живым многоклеточным организмом непрерывного и импульсного низкоэнергетического лазерного излучения имеет свои специфические особенности. Это связано с энергетической облученностью (плотностью потока мощности), создаваемой на поверхности участка воздействия. Парадокс заключается в том, что в качестве этого показателя для импульсных лазеров берут среднюю импульсную мощность, определяемую по соответствующим формулам. Создается впечатление, что энергетическая облученность и энергетическая экспозиция (доза воздействия) при воздействии импульсным лазерным излучением меньше по сравнению с непрерывным, что далеко не соответствует реальности. Как уже отмечалось, в основе лазерной терапии лежат физико- химические процессы, связанные с возбуждение светом соответствующих биоструктур. При этом различают линейные и нелинейные оптические процессы. Нелинейно-оптические проявления возникают при энергетической облученности (плотности потока мощности) вещества 10-100 Вт/см2, а основными из них являются просветление и затемнение среды. Просветление среды заключается в том, что чем больше мощность светового потока, тем заметнее уменьшается доля поглощенной энергии, т. к. возбужденные молекулы до своего возвращения в основное (невозбужденное) энергетическое состояние перестают адсорбировать свет прежним образом. В результате интенсивность света, проходящего через вещество, не уменьшается. Просветление среды может вызвать самофокусировку света и значительное увеличение его мощности. Затемнение среды при такой интенсивности света связано с многофотонными переходами, когда молекула может поглотить более чем один фотон. При этом с ростом интенсивности возрастают потери энергии светового потока за счет его поглощения, а при определенной мощности свет полностью поглощается веществом (Л. В. Тарасов, 1987). Используемые в настоящее время в физиотерапевтических аппаратах импульсные лазеры имеют мощность в одиночном импуль- се 4—50 Вт. У лазеров с мощностью 10 Вт в импульсе при контактной методике воздействия энергетическая облученность (плотность потока мощности) составит 10 Вт/см2 за время длительности импульса. По данным исследований С. М. Аракеляна и Ю. С. Чилин- гаряна (1984) нелинейно-оптические эффекты в жидкокристаллических структурах возможны при энергетической облученности (плотности потока мощности) участка воздействия свыше 10 Вт/см2. Но многие биосубстраты являются жидкокристаллическими образованиями. Следовательно, возникновение нелинейно-оптических проявлений в биосубстратах при воздействии используемых в терапевтических аппаратах импульсных лазеров — вполне реальная возможность, поскольку длительность импульса равна 10 8—10 9 секунд, а время поглощения кванта энергии и перехода атома или молекулы в возбужденное состояние равно 10 16—10^ 5 секунд, т. е. за время, равное длительности импульса атомы или молекулы успевают многократно прореагировать с фотонами светового потока. Применительно к организму человека просветление среды и возможная самофокусировка света при воздействии с помощью импульсных может привести к повреждению глубоко расположенных тканей и органов, а затемнение среды — вызвать нежелательную интенсификацию обменных процессов в облучаемом участке биообъекта (В. Е. Илларионов, 1992). Мощность лазерных излучателей, используемых в терапевтических аппаратах и работающих в непрерывном режиме генерации излучения, как правило, не превышает 5-50 мВт. В этом случае первичные физико-химические процессы происходят в актах поглощения и испускания света за счет однофотонных переходов, возникновение нелинейно-оптических явлений при этом исключается (В. Е. Илларионов, 1992; Л. В. Тарасов, 1987). Выходной мощность излучения лазера, а соответственно и создаваемая энергетическая облученность (плотность потока мощности) на поверхности кожных покровов или слизистой оболочки пациента имеют большую значимость в достижении желаемого клинического результата при лазерной терапии. Этот параметр при лазерной терапии зависит от фокусировки лазерного луча, от методики воздействия (контактной или дистантной). Многочисленные экспериментальные и клинические исследования разных авторов свидетельствуют, что энергетическая облученность (плотность потока мощности) одного участка (поля) воздействия, обеспечивающая клинический эффект при лазерной терапии, соответствует 0,3-100 мВт/см2, а энергетическая экспозиция (доза воздействия) — в пределах 0,3- 9 Дж/см2 на одно поле (И. М. Байбеков и соавт. 1991; Г. Е. Брилль, 2000; СМ. Зубкова, 1990, 1995; В.Е.Илларионов, 2001; В.И.Козлов и соавт, 1993; В. Н. Кошелев, 1980; В. А. Мостовников и соавт., 1989; А. К. Полонский 1984 и др.). Временные параметры воздействия при лазерной терапии включают в себя: а) необходимую для требуемого клинического эффекта частоту импульсного излучения или частотную модуляцию непрерывного излучения, б) оптимальную длительность одной процедуры, в) суммарное время воздействия за одну процедуру, г) периодичность этих процедур, д) длительность всего курса лечения. Любое внешнее воздействие является для функционирующей биосистемы управляющим сигналом. И даже при самых оптимальных для организма человека энергетических параметрах физиотерапевтического фактора мы не сможем получить максимально возможного эффекта, если не будут учтены основные факторы, влияющие на процесс управления биосистемой. В любых системах организма человека трудно отделить устройство управления от объекта управления. Это можно сделать лишь условно по отношению к переменным величинам, принимаемым за выходные координаты биологической системы управления. Наиболее интегральной переменной величиной целостного организма можно считать тот или иной биологический ритм (В. Е. Илларионов, 2001; Ф. И. Комаров, С. И. Рапопорт, 2000; А. С. Пресман, 1997). Ритмы функционирования (колебания, осцилляции) различных структур организма имеют очень широкий частотный диапазон — от 0 до 1015 Гц и шире. Рабочие ритмы функциональных систем имеют более узкий частотный диапазон — от 10 5 до 103 Гц. При этом структурных элементов в организме — великое множество, а функциональных систем, ответственных за его жизнеобеспечение, — в пределах десятка (В. Е. Илларионов, 1998, 2004; Ф. И. Комаров, С. И. Рапопорт, 2000; А. С. Пресман, 1997). Живые организмы являются нелинейными, саморегулирующимися системами, а в таких системах устанавливаются незатухающие колебания — автоколебания (М. В. Волькенштейн, 1988; А. Б. Рубин, 1987). Внешняя периодическая сила малой амплитуды не может существенно влиять на амплитуду автоколебаний, но может «навязать» генератору этих колебаний свою частоту, если последняя принадлежит узкому интервалу частот, включающему частоту автоколебаний. Это резонансное явление называется синхронизацией колебаний. Любые колеблющиеся в природе объекты имеют тенденцию к синхронизации друг с другом. При этом устанавливаются соотношения фаз колебательного процесса, кратные целым числам, а сила взаимодействия может быть сколь угодно мала (И. И. Блехман, 1981). Резонанс и синхронизация — не равнозначные понятия: резонансные явления характерны для структурных образований, а синхронизация предопределяет изменения функции этих структур. При использовании физиотерапевтического фактора в качестве управляющего биосистемой сигнала необходимо учитывать иерархию биологических ритмов данной биосистемы и их соподчиненность, а также важность достижения синхронизации ритмов действующего фактора с соответствующим ритмом функционирования биологической системы, а не резонанса с избранными биологическими структурами. На этой основе разработана концепция биосинхронизации физиотерапевтического воздействия, стержнем которой являются следующие положения (В. Е. Илларионов, 1998). -
Достижение желаемого клинического эффекта при воздействии физиотерапевтическим фактором с оптимальными для ре- гуляторных процессов энергетическими параметрами зависит от синхронизации ритма действующего фактора с должным ритмом функционирования соответствующей биосистемы в норме. -
При выраженном нарушении функции системы достижение желаемого клинического результата зависит от стойкого эффекта навязывания определенного ритма колебательного процесса действующим фактором соответствующей функциональной системе организма человека, требующей коррекции ее деятельности, при оптимально минимальных энергетических параметрах этого фактора. Для синхронизации воздействия низкоэнергетического лазерного излучения с биоритмами сруктур и систем организма человека по частотной характеристике этого излучения необходимо помнить, в первую очередь, что длительность основных ферментативных процессов (необходимый темновой интервал) не превышает 1СГ3-1(Г2 секунд (А. Б. Рубин, 1987). Следовательно, минимальный интервал между импульсами лазерного излучения должен быть не менее КГ3 секунд, чтобы не вмешиваться в уже запущенные ферментативные реакции, а это соответствует частоте не более 1000 Гц. Плюс к этому следует добавить, что частота излучения свыше 1000 Гц воспринимается веществом как квазинепрерывное излучение (Н. В. Карлов, 1988). Выбор оптимальной, с точки зрения терапевтической эффективности, частоты генерации низкоэнергетического лазерного излучения должен соответствовать должному ритму функционирования соответствующей биосистемы, на которую мы воздействуем. Так ритм сердечных сокращений в норме составляет около 1,2 Гц; ритм колебаний мерцательного эпителия бронхиального дерева, а также ритм капиллярного кровотока и элонгации сосудов — 10 Гц; ритм электрической активности нервно-мышечного элемента — 10-100 Гц (Ф. И. Комаров, С. И. Рапопорт, 2000). Исходя из этих данных при лечении сердечной патологии и воздействии на прекардиальную область оптимальная частота импульсного или частотно-модулированного низкоэнергетического лазерного излучения должна быть 1 Гц при тахикардии и 2 Гц при брадикардии. При лечении бронхолегочной патологии и воздействии на проекцию бронхов эффективной будет частота 10 Гц. Для улучшения сосудистой микроциркуляции, для получения противо- отечного и гипотензивного эффектов также оптимальной является частота генерации излучения 10 Гц. Для уменьшения или купирования болевого синдрома эффективно использование при воздействии частоты 80 Гц (В. Е. Илларионов, 1998, 2001). Оптимальная длительность одной процедуры предопределяется длиной волны излучения (энергетической мощностью фотонов), соответствующими биоритмами, а также некоторыми экспериментальными данными. При воздействии излучением азотного лазера (ультрафиолетовая часть оптического спектра, Я. — 337 нм) время воздействия на одно поле колеблется от 30 секунд до 2 минут, чтобы не вызвать повреждения биоструктур. В красной и ближней инфракрасной части оптического спектра этот временной параметр увеличивается до 5 мин на основании следующих данных. С позиции медицинской кибернетики переходный процесс из одного установившегося состояния в другое под действием внешних факторов является колебательным и происходит за 3 колебания. Минутный объем крови в кожных покровах пропорционален массе тела пациента. При массе около 70 кг длительность 3-х колебаний составляет 4,5 мин (М. В. Волькенштейн, 1988; А. Б. Рубин, 1987). При определении локального эффекта активизации микроциркуляции сосудистого русла при воздействии излучением гелий- неонового лазера (к — 633 нм) при энергетической облученности (плотности потока мощности) 5 мВт/см2 локальная дилятация как артериол, так и венул возникала на 3-9 минутах (И. М. Байбеков и соавт. 1991; С. М. Зубкова, 1995; В. И. Козлов и соавт., 1993; В. Н. Ко- шелев, 1980; А. С. Крюк и соавт., 1986; А. А. Прохончуков, Н. А. Жи- жина, 1986.). Эксперименты с лиотропными жидкокристаллическими системами по определению реакции на воздействие излучением гелий- неонового лазера (Я, — 633 нм) при энергетической облученности (плотности потока мощности) 1-10 мВт/см2 свидетельствовали, что максимум проявления структурной альтерации жидких сред наблюдается при 4-6 минутной экспозиции (Р. И. Минц, С. А. Ско- пинов, 1989). Суммарное время воздействия за одну процедуру предопределяется тем, что суммарная энергетическая экспозиция (доза воздействия) не должна превышать 40 Дж (И. М. Байбеков и соавт. 1991; Г. Е. Брилль, 2000; С. М. Зубкова, 1990, 1995; В. И. Козлов и соавт., 1993; В. Н. Кошелев, 1980; В. А. Мостовников и соавт., 1989; А. К. Полонский 1984 и др.). Исходя из того, что на одно поле воздействия должно приходиться 3-9 Дж энергии излучения, а длительность облучения одного поля не должна превышать 5 мин, мы можем определить суммарное время воздействия за одну процедуру. Ориентировочно при лазерной терапии излучением красной или ближней инфракрасной частью оптического спектра в непрерывном режиме его генерации суммарное время воздействия за одну процедуру не должно превышать 25-30 мин, а в импульсном режиме генерации излучения до 20 мин (В. Е. Илларионов, 1992, 2001). Циркадианные, околосуточные ритмы (1СГ5Гц), свойственные многим функциональным системам. Частота этого ритма диктует необходимость соответствующего воздействия 1 раз в сутки, желательно в одно и то же время в утренние часы (до 12 часов), когда в организме преобладает тонус симпатического отдела вегетативной нервной системы и адекватно воспринимаются воздействия внешних физических факторов(Ф. И. Комаров, С. И. Рапопорт, 2000; В. В. Скупченко, Е. С. Милюдин, 1994). Циркосептанные (7+3 сут.) и циркодисептанные (14+3 сут.) ритмы функционирования целостных многоклеточных организмов, в том числе и человека являются ориентирами длительности курса воздействия, т. е. длительность курса ежедневных процедур должна быть в пределах 5-7 дней при острых патологических процессах и 10-15 дней при хроническом течении заболевания (В. Е. Илларионов, 1998, 2001). Анализ многочисленных эмпирических данных о реакциях биосистем на различные внешние физические воздействия (сигналы, стимулы, раздражители) позволяет сделать следующие выводы. -
Минимальная, пороговая интенсивность энергии сигнала определяется чувствительностью данной биосистемы, а максимальная сопоставима с ее энергетическим обменом. -
Чем выше уровень организации биосистемы, тем выше чувствительность к сигналам. -
Биологические системы высокого уровня организации могут реагировать на подпороговые по интенсивности сигналы, ибо обладают способностью их суммировать (А. С. Пресман, 1997). На этом основании необходимо помнить о кумулятивном эффекте низкоэнергетического лазерного воздействия, и этому получены подтверждения. При лечении экспериментального остеоарт- роза у кроликов по контактной стабильной методике магнитолазер- ного воздействия (А, — 850 нм; энергетическая облученность — 5 мВт/см2; индукция магнитной насадки 20 мТл; площадь поля воздействия — 3 см2; 2 поля за процедуру; экспозиция — 2 мин на поле, 1 раз в сутки; курс воздействия — 20 ежедневных процедур) в облучаемых тканях были зарегистрированы ультраструктурные повреждения биосубстратов, вплоть до некроза (В. Е. Илларионов, 1990). |
