close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ZajchenkoKulygina

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
К. В. Зайченко, Л. А. Кулыгина,
Б. С. Гуревич, О. В. Кривохижина
ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ЛЕЧЕБНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ И ЛАЗЕРНАЯ
ФИЗИОТЕРАПИЯ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2011
УДК 615.47
ББК 53.6
Т38
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Северо-Западного государственного заочного
технического университета Г. И. Худяков;
доктор биологических наук, профессор НИИ экспериментальной медицины
СЗО РАМН Н. Б. Суворов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Зайченко, К. В.
Т38 Технические методы лечебных воздействий. Ультразвуковая
и лазерная физиотерапия: учеб. пособие / К. В. Зайченко,
Л. А. Кулыгина, Б. С. Гуревич, О. В. Кривохижина. – СПб.:
ГУАП, 2011. – 112 с.: ил.
ISBN 978-5-8088-0668-9
В учебном пособии рассматриваются биофизические принципы,
методы и особенности применения ультразвукового и лазерного излучения в лечебных целях. Приведены параметры терапевтических сигналов, сведения о терапевтической аппаратуре.
Учебное пособие соответствует Государственным образовательным
стандартам бакалавриата по направлениям 201000 «Биотехнические
системы и технологии» и 230700 «Прикладная информатика» по профилю подготовки «Здравоохранение». Может быть использовано всеми, кто интересуется аспектами технических методов физиотерапии.
УДК 615.47
ББК 53.6
ISBN 978-5-8088-0668-9
© Санкт–Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2011
© К. В. Зайченко, Л. А. Кулыгина,
Б. С, Гуревич, О. В. Кривохижина, 2011
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие включает информацию, необходимую студентам, обучающимся по направлениям 201000 «Биотехнические системы и технологии» и 230700 «Прикладная информатика» по профилю подготовки «Здравоохранение» при изучении дисциплины
«Технические методы диагностических исследований и лечебных
воздействий». Физиотерапия – специализированная область клинической медицины, основанная на использовании того или иного природного или искусственно созданного физического фактора,
оказывающего лечебное действие на организм человека. Цель физиотерапии – достижение наилучшего эффекта в лечении какого-либо
заболевания, при наименьшей нагрузке на организм пациента. Она
может применяться как самостоятельно, так и комплексно с лекарствами.
Лечение только лекарственными препаратами в определенных
ситуациях безусловно оправдано, но при этом возникает вероятность нежелательных и непредвиденных побочных эффектов. Хирургическое вмешательство, как правило, является крайней мерой
в процессе лечения. Поэтому самым безопасным и распространенным направлением лечения и реабилитации остается физиотерапия, использующая методы, испытанные тысячелетиями, а также
созданные и создающиеся в наше время.
Пособие является продолжением уже опубликованного кафедрой медицинской радиоэлектроники ГУАП учебного пособия «Технические методы лечебного применения электромагнитных полей
и излучений». В настоящем пособии рассмотрены только два метода – ультразвуковая и лазерная терапия. В приведенном материале нет детального описания функциональных и принципиальных
схем терапевтических установок, поскольку это предмет изучения
других дисциплин.
3
Поскольку предметом физиотерапии являются лечебные
физические факторы, подробно рассмотрены основы их лечебного
применения, свойства тканей организма, ответственные за их лечебные применения, параметры лечебных физических факторов,
сравнительные технические характеристики терапевтических аппаратов. Для лучшего понимания технических методов лечебных
воздействий приведены примеры терапевтических аппаратов и их
сравнительные характеристики.
Для удобства пользования указатель использованной и рекомендуемой студентам литературы приведен после каждого раздела.
4
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АЛТ – аппаратура лазерной терапии
ИК – инфракрасный
КПД – коэффициент полезного действия
ЛИ – лазерное излучение
ЛОК – лазерное облучение крови
ЛТ – лазеротерапия
ПИП – приемный измерительный преобразователь
ППЛ – полупроводниковый лазер
УЗ – ультразвук
УНЧ – ультразвуковые низкие частоты
УСЧ – ультразвуковые средние частоты
УЗВЧ – ультразвуковые высокие частоты
ФД – фотодиод
ФП – фотоприемник
ФТД – фотодинамическая терапия
ФЭ – фотоэлемент
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель
ЭМП – электромагнитное поле
5
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЛЕЧЕБНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ
1.1. Воздействие ультразвука на биологические ткани
Ультразвуковая терапия – лечебное применение механических
колебаний ультразвуковой частоты 22÷44 кГц и от 800 кГц до 3 МГц.
Глубина проникновения механической энергии в ткани 20÷50 мм.
Механические колебания и волны при частоте ниже 16 Гц называют инфразвуковыми. Инфразвуковые волны человеческое ухо не
воспринимает. Несмотря на это, они способны оказывать на человека определенные физиологические воздействия. Объясняются эти
действия резонансом. Внутренние органы нашего тела имеют достаточно низкие собственные частоты: брюшная полость и грудная
клетка – 5÷8 Гц, голова – 20÷30 Гц. Среднее значение резонансной
частоты для всего тела составляет 6 Гц. Имея частоты того же порядка, инфразвуковые волны заставляют наши органы вибрировать
и при очень большой интенсивности способны привести к внутренним кровоизлияниям. Например, на частоте 4÷8 Гц человек ощущает перемещение внутренних органов, а на частоте 12 Гц – приступ
морской болезни. Лечебное применение подобных колебаний можно
видеть на примере вибрационного массажа.
Механические колебания и волны в диапазоне частот от 16 Гц
до 20 кГц называются звуковыми и воспринимаются ухом.
Механические колебания и волны с частотой выше 20 кГц называются ультразвуковыми (или просто ультразвуком) и ухом не
воспринимаются. Нижняя граница ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхний
предел спектра ультразвуковых колебаний не установлен. Он обусловлен физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул
в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах.
Поэтому в газах верхнюю границу УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул; при нормальном давлении она составляет –
109 Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является
равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная
6
частота достигает 1012÷1013 Гц. В зависимости от длины волны и
частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения,
приема, распространения и применения. Область УЗ удобно разделить на 3 подобласти: УЗ низкие частоты (УНЧ) – 1,5×104÷105; средние (УСЧ) – 105÷107, и высокие (УЗВЧ) – 107÷109. Упругие волны
с частотами 109 ÷1012 Гц принято называть гиперзвуком (рис. 1.1).
В звуковых и ультразвуковых волнах колебания частиц происходят в том же направлении, что и распределение волны. Такие
волны, называемые продольными, представляют собой чередующиеся участки сгущения и разряжения вещества, перемещающиеся в направлении распространения волны. При увеличении
интенсивности ультразвука на границе неоднородных биологических сред образуются затухающие сдвиговые (поперечные) волны
и выделяется значительное количество тепла (тепловое действие
ультразвука).
Расстояние между двумя ближайшими точками волны, колеблющимися в одной фазе (например, между центрами двух соседних участков сгущения или разряжения), называются длиной волны. Между частотой ультразвуковых колебаний f и длиной волны λ
существует зависимость f = с/λ, где с – скорость распространения
волны в данной среде. Скорость распространения зависит от упругих свойств и плотности среды; в жидкостях она выше, чем в газах,
а в твердых телах выше, чем в жидкостях (рис. 1.2).
¡ÆÍɹÀ»ÌÃ
ªÄÔÑÁÅÔÂ
¬ÄÕËɹÀ»ÌÃ
À»ÌÃ
G œÏ
¹»Ä¾ÆÁ¾
Рис. 1.1. Частотная шкала звуковых колебаний
¬ÄÕËɹÀ»ÌÃ
›É¾ÅØ
Рис. 1.2. Непрерывный режим УЗ колебания
7
ª¿¹ËÁ¾ ©¹ÀÉØ¿¾ÆÁ¾ ª¿¹ËÁ¾
-
0
+
-
0
+
-
0
+
ª¿¹ËÁ¾
©¹ÀÉØ¿¾ÆÁ¾
-
0
+
-
0
+
Рис. 1.3. Чередующиеся зоны повышенного и пониженного давления
Профиль акустической волны имеет, как правило, знакопеременный характер, причем давление считается положительным,
если участок среды в данный момент времени испытывает сжатие,
и отрицательным – при разрежении (рис. 1.3).
Смещение и колебательная скорость считаются положительными при совпадении с направлением распространения волны и отрицательными – при противоположном.
Если на расстоянии кратном 1/2 длины волны от источника излучения окажется отражающая поверхность, то образуется стоячая
волна, когда области повышенного и пониженного давления остаются неподвижными.
В воздухе ультразвуковые волны распространяются со скоростью
около 330 м/с. Скорость распространения ультразвука в различных мягких тканях организма находится в пределах 1445÷1600 м/с,
не отличаясь более чем на 10% от скорости распространения в воде
(около 1500 м/с).
В костной ткани скорость распространения выше – около 3370 м/с.
Например, при используемой в ультразвуковой терапии частоте
880 кГц длина волны в воде и мягких тканях тела имеет величину
порядка 1,6÷1,8 мм.
Для создания и поддержания ультразвуковой волны требуется постоянная передача в среду энергии источника колебаний. Эта
энергия в процессе колебания частиц среды около положения равновесия передается от одной частицы к другой так, что в ультразвуковой волне происходит передача энергии без переноса самого вещества. Происходящие в ультразвуковой волне колебательные дви8
жения частиц вещества характеризуются очень малой амплитудой
смещения и чрезвычайно большими ускорениями. Так, например,
при частоте 880 кГц частицы тканей тела, в которых распространяется волна с интенсивностью 2 Вт/см2 (максимальная интенсивность, используемая при ультразвуковой терапии 3 Вт/см2), колеблются с амплитудой порядка 3,5 · 10–6 см. Максимальное ускорение достигает при этом 90 · 106 см/с2, что превышает величину ускорения свободного падения тел почти в 100 тыс. раз.
На колеблющиеся частицы вещества действуют значительные
величины переменного (акустического) давления. Так, например,
при терапевтическом применении ультразвука с указанными параметрами амплитуда переменного давления достигает 2,7 атм.
Огромные ускорения и значительные давления, испытываемые
частицами среды при ультразвуковых колебаниях, определяют
в значительной степени действие ультразвука (в том числе и лечебное) на ткани организма.
Механические волны переносят энергию. При их распространении энергия передается от одной колеблющейся частицы к другой. Энергетической характеристикой механических волн является
интенсивность звука или плотность потока энергии. Интенсивность (сила) ультразвука – поток акустической энергии, отнесенный
к единице поверхности, перпендикулярной направлению распространению ультразвука, или, иными словами, акустическая мощность, приходящаяся на единицу поверхности.
I = W/St,
(1.1)
где W – энергия потока ультразвука, проходящего через площадь S
за время t. Интенсивность ультразвука I связана с амплитудой колебания, величиной переменного акустического давления и колебательной скоростью частиц среды.
I = p2/2ρ · c,
(1.2)
где c – скорость звука в среде с плотностью ρ, p – звуковое давление.
Единица измерения интенсивности звука (в СИ) – Вт/м2.
Акустическая мощность звука представляет собой энергию, переносимую в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны. Акустическая мощность выражается в ваттах (СИ) или эргах в секунду (СГС);
1 Вт = 107 эрг/с.
9
Ультразвуковая энергия есть сумма кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации
среды. Как и всякая другая энергия, ультразвуковая энергия измеряется в Дж (СИ) и эргах (СГС); 1 Дж = 107 эрг.
При распространении ультразвуковой волны происходят потери
энергии на нагрев частиц среды. Интенсивность ультразвука уменьшается при этом по экспоненциальному закону. Для характеристики этого процесса используют понятие «глубина проникновения».
Глубина проникновения равна расстоянию до поверхности, на которой интенсивность ультразвуковой волны уменьшилась в е раз
(е ≈ 2,7 – основание натуральных логарифмов). Поглощение энергии
увеличивается с частотой колебаний, соответственно уменьшается
глубина проникновения. На частоте 880 кГц глубина проникновения ультразвуковой энергии в мышечные ткани составляет около
5 см, в жировые ткани – около 10 см, в кости – около 0,3 см. Малые потери энергии в слоях жировой ткани и, следовательно, незначительный их нагрев при достаточном проникновении энергии
в мышцы обеспечивают хорошие условия для терапевтического
применения ультразвука (рис. 1.4).
Механизм лечебного воздействия ультразвуковых (УЗ) колебаний на ткани организма имеет сложный механизм. В нем можно
различить три основных составляющих: механическое действие,
тепловое и физико-химическое. Названные эффекты зависят от интенсивности и частоты воздействующего ультразвука, от режима облучения (непрерывный или импульсный) и конфигурации акустической волны (плоская, сферическая, остроконечная, рассеянная).
К механическим факторам воздействия УЗ на биологические системы относят его давление, акустические течения, колебательные
смещения частиц с различными скоростями, перепады давления.
Механические свойства тканей организма. Реакция тканей организма на механические факторы, а именно к этим факторам относится ультразвук, определяется их механическими свойствами. Они обусловлены пространственно-временным распределением частиц ткани,
Ã
Å
ÃË
Рис. 1.4. Распределение поглощенной механической энергии в тканях
организма при УЗ-терапии (К – кожа, М – мышцы, КТ – костная ткань)
10
а также типом связи между ними. Основными характеристиками
механических свойств тканей являются напряжения (σint) и деформации (ε). Напряжение σint в отличие от характеристики силового
воздействия σext отражает механические возмущения, развивающиеся в тканях при действии на них механических сил. Деформация ε – упругое возмущение, обусловленное изменением пространственной структуры ткани. При этом происходит перенос потока
энергии упругой деформации в отсутствие переноса частиц среды.
Деформация распространяется с волной из одной точки в другую
и определяет тип механического возмущения. Она характеризует отношение измененных линейных размеров единичного объема
ткани при возбуждении в ней колебаний к ее состоянию в покое и
является функцией внешнего напряжения и колебательного смещения частиц среды
ε = σext/E,
(1.3)
где Е – модуль Юнга – напряжение, при котором длина единичного
объема ткани увеличивается вдвое [1].
По виду реакции на внешние напряжения все ткани организма
разделяют на упругие, неупругие (вязкие) и вязко-упругие. Критериями такого разделения служат наличие или отсутствие остаточной деформации тканей. Среди всех биологических тканей наиболее выраженными упругими свойствами обладают кости.
По плотности и типу пространственной структуры все ткани организма разделяют на твердые (костная ткань, дентин и эмаль
зубов), мягкие (кожа, мышечная ткань, ткани паренхиматозных
органов – печень, селезенка, эндотелии1 сосудов) и жидкие (кровь,
лимфа, спинномозговая жидкость, слюна, сперма). Структурная
неоднородность тканей организма, присущая им анизотропия (различие механических свойств тканей в разных направлениях), существование в них разных типов волн (продольных, поперечных,
сдвиговых) и активный характер изменения их упругих и вязких
свойств существенно усложняют пространственно-временные характеристики развивающихся в них напряжений и деформаций.
Они определяются параметрами механических свойств его органов
и тканей – плотностью тканей ρ, скоростью звука c и модулем упругости Е. Более подробно о механических свойствах тканей можно
прочесть в [1].
1 Эндотелий – слой уплощенных клеток, выстилающий изнутри стенки сосудов.
11
Как уже отмечалось, механическое действие УЗ прежде всего состоит в том, что УЗ-волны заставляют частицы вещества совершать
быстрые колебательные движения со значительными ускорениями.
При этом в веществе образуются области избыточного давления и разряжения. При бегущей волне области повышенного и пониженного
давления распространяются со скоростью звука для данной среды.
Распространение вызванных механическими факторами волн
в тканях организма вызывает 2 вида внутренних напряжений: упругие (обратимые) и диссипативные (необратимые). Последние возникают в случае, когда продолжительность восстановления первичной структуры ткани существенно меньше периода механических
колебаний. Диссипативные1 напряжения обусловливают необратимое превращение механической энергии в теплоту – поглощение
звука. Расстояние, на котором интенсивность волны уменьшается
в е2 (приблизительно в 7,3 раза) называют, как мы уже знаем, глубиной проникновения. Поглощение акустических колебаний связано
с частотой квадратической зависимостью. Оно максимально для
ультразвука и составляет для различных тканей 7–8 см на частоте
44 кГц; 4–5 см на частоте 880 кГц и 1–3 см на частоте 2640 кГц.
Возникающие при поглощении механической энергии деформации микроструктур тканей также распространяются с затуханием.
В связи с этим интенсивность механических колебаний при их распространении вглубь тела человека экспоненциально уменьшается.
Механическое действие УЗ резко усиливается при возникновении в биологической среде, содержащей значительные объемы жидкостей, явлений дегазации и УЗ кавитации, т. е. выделение растворенных в жидкости газов и микроскопические разрывы жидкостей
с образованием вакуумных пузырьков, которые затем схлопываются,
производя эффект микровзрывов. Эти процессы могут оказывать разрушительное воздействие на клеточные и внутриклеточные структуры. Кавитация зависит от величины объема растворенного в жидкости газа, вязкости жидкости, внешнего давления, частоты УЗ. В биологических тканях высокочастотный ультразвук может вызвать кавитацию лишь при интенсивностях выше терапевтических.
Кроме перечисленных факторов, определяющих механическое
действие ультразвука, возможна деформация структуры ткани вследствие резонансных эффектов. К ним относятся резонансные пульса1 Диссипация – переход энергии упорядоченного движения в энергию хаотического движения частиц.
12
ции стабильных газовых пузырьков, имеющихся в жидких средах,
и возможный механический резонанс живых клеток.
Устойчивость биологических клеток различных тканей к разрушающему воздействию ультразвука сильно отличается, причем порог разрушающего действия у больных клеток значительно ниже,
чем у здоровых, что и используется для целей терапии. Однако при
выборе УЗ-воздействий необходимо строго следить за их дозировкой
и интенсивностью, чтобы не повредить здоровые клетки организма.
Следует учитывать также и то, что разрушающее действие УЗ оказывает более мощное воздействие в области стоячих волн. Избежать
возникновения стоячих волн можно, используя импульсный режим
воздействия, или при использовании непрерывного облучения, обеспечивая непрерывное перемещение излучателя по поверхности облучаемого участка.
Тепловой фактор воздействия УЗ обусловлен, в основном, классическим поглощением – необратимым превращением звуковой
энергии в тепловую, нарастающим с увеличением вязкости среды
пропорционально квадрату частоты УЗ колебаний. Наряду с классическим поглощением при распространении УЗ в средах наблюдается дополнительное (релаксационное) поглощение, обусловленное
(применительно к жидкостям) структурно-молекулярными перестроениями, на которые затрачивается определенная часть УЗ энергии. Другие источники изменения температуры тканей при распространении УЗ (периодические изменения в результате колебательного движения среды, нагрев на газовых пузырьках в ткани, тепловые
изменения, связанные с кавитацией и т.д.) играют пренебрежимо малую роль по сравнению с нагреванием вследствие поглощения УЗ.
Из-за значительного поглощения энергии УЗ колебаний в тканях,
содержащих молекулы с большими линейными размерами, происходит повышение их температуры на 1 °C.
Вместе с тем, распределение ультразвуковой энергии между слоями тканей тела имеет характерную особенность, заключающуюся в интенсивном нагреве костных тканей. Наибольшее количество
тепла выделяется не в толще однородных тканей, а на границах
раздела тканей с различным акустическим импедансом – поверхностных слоях кожи, фасциях1, связках, рубцах, синовиальных2
1
Фасция – соединительная оболочка, покрывающая мышцу.
Синовиальный. СИНОВИЯ (анат.) – прозрачная вязкая жидкость в сгибах суставов, служащая как бы для смазки.
2
13
оболочках, суставных менисках и надкостнице (см. рис. 1.4). Это
повышает ее (границы) эластичность и расширяет диапазон физиологических напряжений. И это отличает действие ультразвука от
действия электромагнитной волны и должно учитываться при проведении процедур ультразвуковой терапии.
Нагревание ткани модулирует функциональные свойства сухожилий и связок, приводит к ослаблению фантомных болей, уменьшению мышечного спазма. Местное расширение сосудов приводит
к увеличению объемного кровотока, увеличению интенсивности
метаболизма (обмена веществ), что ускоряет регенерацию в очаге
воспаления.
Специальными приборами ультразвук можно сфокусировать и
точно направить на небольшой участок ткани – например, на опухоль (метод гипертермии). Под действием сфокусированного луча
высокой интенсивности, местно, клетки нагреваются до температуры 42 °C. Раковые клетки начинают гибнуть при повышении температуры, и рост опухоли замедляется. Выраженный эффект гипертермии достигается при интенсивностях, близких к верхней допустимой границе большинства тканей (1,5–2 Вт/см2), поэтому использовать их надо с большой осторожностью, четко фиксируя зону
нагрева.
Физико-химические эффекты, являясь вторичными эффектами,
приводят к следующим физико-химическим изменениям, происходящим в озвучиваемых тканях.
Структурные эффекты. Под влиянием ультразвука происходит конформационная1 перестройка мембран. Как следствие этого,
а также деполимеризующего действия и капиллярного эффекта УЗ
наступает изменение проницаемости различных мембранных образований. Доказано повышение проницаемости гистогематических
барьеров2. Изменение проницаемости клеточных мембран под действием ультразвука вызывает временное ослабление чувствительности тканей, поскольку нервные импульсы гаснут при переходе от
клетки к клетке. Это свойство используется для снятия ревматических болей.
УЗ колебания повреждают клеточные оболочки микроорганизмов, чувствительность к которым максимальна у лептоспир
1
Конформизм – приспособленчество.
Гисто… – относящийся к тканям тела. Гематин – железосодержащий пигмент
крови. Гемо…– относящийся к крови.
2
14
(микроорганизмов, вызывающих лихорадку, желтуху, мышечносуставные боли и т.п.).
Микротечения и микровибрации. В силу высокого градиента звукового давления – (10÷150) · 105 Па · см–1 и значительных сдвиговых
напряжений в биологических тканях (≈1,5 · 10–8м) упругие колебания изменяют проводимость ионных каналов мембран различных
клеток и вызывают микропотоки метаболитов1 в цитозоле2 и органоидах3 (микромассаж тканей). Это приводит к ускорению всех обменных процессов как внутри клетки, так и на межклеточном уровне. Ускоренное УЗ перемещение биологических молекул в клетках
увеличивает вероятность их участия в метаболических процессах.
Этому же способствуют разрыв слабых межмолекулярных связей,
уменьшение вязкости цитозоля, переход ионов и биологически активных соединений в свободное состояние. В последующем за счет
повышения связывания биологически активных веществ активируются механизмы неспецифической иммунологической4 защиты
организма.
Происходящее под действием УЗ колебаний повышение активности ферментов клеток приводит к очищению воспалительного
очага от продуктов распада омертвевших тканей и болезнетворной
микрофлоры. Усиление метаболизма клеток стимулирует восстановительную регенерацию тканей, ускоряет заживление ран и трофических язв. Образующиеся под действием УЗ колебаний рубцы соединительной ткани обладают повышенной (в 2 и боле раз) прочностью и эластичностью по сравнению с неозвученной тканью. Кроме
снижения боли, уменьшается отек, быстрее рубцуется ткань, а при
заживлении операционных швов не образуется больших шрамов.
Очевидно, что кроме усиления обмена веществ, при этом активизируются и иммунные механизмы.
В озвучиваемых тканях наблюдается перенос веществ благодаря
акустическим микротечениям. УЗ микропотоки возникают около
мембран при действии терапевтических интенсивностей. Они могут
временно и необратимо нарушать субмикроскопическую архитек1 Метаболиты – вещества, образующиеся в организме в процессе обмена веществ.
2 Цитозол – гелеобразная часть клетки.
3 Органоиды – постоянно присутствующее в живой клетке включения, выполняющие определенные жизненные функции.
4 Иммунологический (защищающий организм) – невосприимчивый к инфекционным болезням, действию некоторых ядов (напр., яда змей, скорпионов) и др.
15
тонику внешних и внутренних клеточных поверхностей. Микропотоки различной формы возникают также и внутри клетки и содействуют перемещению внутриклеточных включений, изменяют их
пространственное взаимоположение, вызывают стимуляцию функций клеточных элементов и клетки в целом.
Таким образом, микровибрации и микромассаж на клеточном
и субклеточном уровнях, приводит к стимуляции микроциркуляторных процессов и повышению проницаемости кожи, сосудов,
клеточных и тканевых мембран с интенсификацией процессов массопереноса веществ.
Ультразвук повышает физиологическую лабильность1 нервных
центров, периферических нервных проводников, устраняет спазм
гладкомышечных элементов кожи и сосудов, понижение возбудимости и проводимости ткани (парабиоз), наступившей в результате
чрезмерного сильного ее раздражения.
Тиксотропное 2 действие. УЗ волны способны вызывать разжижение коллоидов, разрывать коллоидные агрегаты на более мелкие
частицы. Считают, что чувствительность животных и растительных клеток к УЗ волнам определяется тиксотропными свойствами
коллоидов протоплазмы.
Изменение pH. Характерная реакция внутренней среды организма на воздействие УЗ – изменение pH в щелочную сторону. Считают, что возможной причиной является дегазирующий эффект УЗ.
При малых интенсивностях УЗ отмечено повышение градиента концентрации Na и K на мембране эритроцитов из-за ускорения активного транспорта ионов. Интенсивное воздействие не влияет на активный транспорт ионов через мембрану эритроцитов, но усиливает
их перемещение по градиенту концентрации вследствие расширения эффективной площади пор мембраны. Ультразвуковые повреждения мембран клеток, и в первую очередь плазматической мембраны3, приводят к потере ионов K и накоплению в ней ионов Na
и Ca. Кроме того, доказано, что УЗ с интенсивностью (силой звука)
I =1,5 Вт/см2 при f =1 МГц способен угнетать образование потенциалов в гладкой мышце. Такое действие УЗ снимается двукратным
1
Лабильность – проводимость, функциональная подвижность.
Тиксотропия— временное понижение эффективной вязкости вязко-текучей
или пластичной системы в результате её деформирования независимо от физической природы происходящих в ней изменений.
3 Плазматическая мембрана – мембрана, окружающая протоплазму животных
и растительных клеток.
2
16
увеличением содержания ионов K в озвучиваемой среде. Известно
влияние УЗ на строение и функциональную активность лизосом1.
Мембраны лизосом считают иногда местом первичного приложения
УЗ, так как их проницаемость может повышаться спустя 5 минут
после применения терапевтических интенсивностей УЗ.
Как уже было сказано, проницаемость клеточных мембран повышается при любом воздействии ультразвука. Широко распространен метод воздействия на кожу, при котором, за счет повышения мембранной проницаемости, одновременно вводятся в организм
нужные лекарственные вещества. Он называется ультрафонофорез или просто – фонофорез, т.е. ультразвуковое введение лекарств.
С помощью фонофореза молекулы поступают не в межклеточную
жидкость, а точно по назначению, в клетки. На долю клеток приходится около 90% всего объема ткани. Поэтому при фонофорезе
лишь одна десятая часть объема ткани «ускользает» от лекарственного воздействия. Таким образом, например, в камеру глаза, заполненную влагой, вводят вещества, которые не могут туда проникнуть
иным способом, – гепарин, дексазон. Если же нужно, чтобы лекарство проникло во все части ткани – и в клетки, и в межклеточную
жидкость, – например, при лечении опухолей, фонофорез используют в сочетании с электрофорезом.
Вредно ли ультразвуковое лечение? Что происходит, когда ультразвук проходит через клетки и ткани живого организма? Уже
сказано, что при этом запускается цепь сложных физических и химических процессов. Внутриклеточные жидкости меняют электропроводность и кислотность, изменяется проницаемость клеточных
мембран. Некоторое представление об этих событиях дает обработка
крови ультразвуком. После такой обработки кровь приобретает новые свойства – активизируются защитные силы организма, повышается его сопротивляемость инфекциям, радиации, даже стрессу.
Аналогичный эффект наблюдали при аутогемотерапии – вливании человеку небольшой порции его собственной крови. Взятую
у человека порцию крови обрабатывали ультрафиолетом или сильно охлаждали, после чего вводили обратно в кровяное русло. В результате, организм, попадая в своеобразную стрессовую ситуацию,
включал дополнительные механизмы регуляции иммунитета. Ультразвуковая обработка крови оказывает тот же эффект, но имеет
1 Лизосомы – мелкие округлые тельца в клетках животных. Содержат ферменты и участвуют во внутриклеточных процессах переваривания белков, нуклеиновых кислот и липидов.
17
те преимущества, что не нужно прокалывать кожу, травмировать
кровеносные сосуды и нет риска заражения крови. Эксперименты на
животных показывают, что ультразвук не оказывает мутагенного1
или канцерогенного2 действия на клетки – время его воздействия
и интенсивность настолько незначительны, что такой риск практически сводится к нулю. Так что все опасения относительно вредного
влияния ультразвука не имеют под собой почвы. И, тем не менее,
врачи, основываясь на многолетнем опыте использования ультразвука, установили некоторые противопоказания для ультразвуковой терапии. Это – острые интоксикации, болезни крови, ишемическая болезнь сердца со стенокардией, тромбофлебит, склонность
к кровотечениям, пониженное артериальное давление, органические заболевания центральной нервной системы, выраженные невротические и эндокринные расстройства. После многолетних дискуссий, приняли, что при беременности ультразвуковое лечение назначать также не рекомендуется.
Лечебные эффекты: противовоспалительный, катаболический3,
спазмолитический, бактерицидный, дефиброзирующий 4.
Показания: заболевания суставов; последствия травм и повреждений костно-мышечной системы; заболевания периферических нервов (неврит, невралгии, радикулит); заболевания внутренних органов; заболевания ЛОР-органов, глаз, полости рта; трофические5
язвы.
1.2. Физика получения ультразвука
Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют устройства, которые могут быть разбиты на две основные группы: механические (источником ультразвука является механическая энергия
потока газа или жидкости) и электромеханические (ультразвуковая
энергия получается преобразованием электрической энергии в механическую). Механические излучатели ультразвука (воздушные
и жидкостные свистки и сирены) отличаются сравнительной простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей элек1
Мутагенный – вызывающий мутации.
Канцерогенный – вызывающий злокачественные опухоли.
3 Катаболический – реакции обмена веществ закладываются в распаде сложных
органических веществ
4 Дефиброзирующий – убирающий фибрилляции.
5 Трофические – нервные.
2
18
трической энергии высокой частоты, коэффициент полезного действия их составляет 10÷20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей – сравнительно широкий спектр
излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не
позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей
и в терапии; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично – как средства сигнализации.
Основной метод получения УЗ – преобразование тем или иным
способом электрических колебаний в колебания механические.
В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и
электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели УЗ, использующие магнитострикционный эффект в никеле и в ряде специальных сплавов, также
в ферритах.
Явление магнитострикции заключается в том, что под действием переменного магнитного поля, образуемого обмоткой, несколько изменяется длина расположенного вдоль поля стержня из ферромагнитного материала. Это периодическое удлинение и укорочение
стержня приводит в колебательное движение прилежащие к концам стержня частицы среды, в которой образуется ультразвуковая
волна. Такой метод обычно используется для получения ультразвука частотой в несколько десятков килогерц. Для излучения УСЧ
и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества.
В 1880 г. в Париже братья Пьер и Жак Кюри (Pierre Curie, Jacques
Curie) открыли пьезоэлектрический эффект – появление на гранях
некоторых кристаллов электрических потенциалов во время механического воздействия на них и обратного эффекта – изменение формы кристаллов при приложении к граням электрического потенциала. В первых опытах по изучению данного эффекта были использованы кристаллы природного происхождения, но уже в XX веке появилась керамика с пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики – это основа любого современного медицинского ультразвукового оборудования.
Для целей терапии в основном применяется ультразвук частоты
УСЧ диапазона порядка 800–3000 кГц, который получают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта.
Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что во
многих кристаллах (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) под
действием электрического поля происходит некоторое взаимное
смещение полярных групп атомов, составляющих основную струк19
s
s
s
s
Рис. 1.5. Пьезоэлектрический эффект
®
а)
б)
®
s
s
™
s s
s
®
s
®
s s ™ËÇÅ
4J
™ËÇÅ
›
®
в)
™
s
s
ª
s ©
›
Рис. 1.6. Схема возникновения пьезоэлектрического эффекта
в двуокиси кремния: а – нейтральное состояние ячейки;
б – прямой пьезоэлектрический эффект;
в – обратный пьезоэлектрический эффект
20
туру вещества, что вызывает соответствующее изменение размеров
кристаллов. Если к торцевым поверхностям пластинки, вырезанной определенным образом из кристалла кварца, с помощью электродов приложить переменное электрическое напряжение, то толщина пластинки будет поочередно уменьшаться и увеличиваться
с частотой приложенного напряжения.
При рассмотрении модели структурной ячейки двуокиси кремния (рис. 1.6, а) можно проследить процесс возникновения пьезоэлектрического эффекта.
При действии внешней силы в направлении электрической оси Х
ячейка приобретает вид, показанный на рис. 1.6, б. Вследствие этого на одной поверхности возникает положительный заряд, на другой – отрицательный (прямой пьезоэлектрический эффект).
При подведении к ячейке противоположных по знаку электрических зарядов (рис. 1.6, в) наблюдается растяжение или сжатие
ячейки (обратный пьезоэлектрический эффект). Таким образом,
в результате периодического изменения толщины пластинки, называемой пьезоэлектрическим преобразователем, в среде возникает
УЗ волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном
поверхности пластинки.
Основными пьезоэлектрическими материалами для излучателей УЗ служат пьезокварц, ниобат лития, дегидрофосфат калия,
а в диапазоне УНЧ и УСЧ – главным образом различные пьезокерамические материалы.
λ
Рис. 1.7. Излучение (прием) продольных волн L пластинкой,
колеблющейся по толщине, в твердое тело: 1 – кварцевая пластинка
среза Х толщиной l/2, где l – длина волны в кварце;
2 – металлические электроды; 3 – жидкость (трансформаторное
масло) для осуществления акустического контакта;
4 – генератор электрических колебаний; 5 – твердое тело
21
Пьезокерамику можно подвергать механической обработке, придавая любые формы и размеры. Преобразователь подвергается воздействию высокого напряжения в течение 2 часов, после чего оно
постепенно снижается. Пьезокерамические преобразователи могут
быть плоскими и фокусирующими (сферическими, цилиндрическими и др.). Для правильного выбора типа преобразователя и определения основных электрических величин, обеспечивающих его работу, производят расчет параметров, собственной частоты и толщины
пьезоэлементов, напряжения, необходимого для возбуждения его
на максимальную мощность. С помощью пьезокерамических излучателей можно получить относительно небольшие интенсивности
УЗ колебаний (обычно до 100 Вт/см2), так как амплитуды колебаний свыше 10–15 мкм ограничены механической и электрической
прочностью материала керамики. Наибольшая интенсивность для
плоских излучателей наблюдается у поверхности. По мере удаления
от поверхности интенсивность быстро падает из-за поглощения.
Фокусирующие излучатели позволяют легко получать акустические поля интенсивностью до нескольких кВт/см2. Фокусирование
осуществляется или за счет придания излучателю специальных
форм или с помощью акустических линз и зеркал (рис. 1.8).
Преимуществом фокусирующих излучателей является и то, что
при больших интенсивностях на поверхностях преобразователя, работающих в жидкостях, не возникает кавитации, так как повышенная интенсивность создается в фокальной области, вдали от излучающей поверхности.
Линзы, используемые для фокусирования звуковых волн, распространяющихся в жидкости, могут быть сделаны из самых различных жидкостей или твердых материалов: пластмасс, металлов
и т. п. Фокусирующие излучатели применяют трех видов: сферические, представляющие собой часть сферической поверхности; корытообразные или незамкнутые цилиндрические; трубчатые или зам-
'
Рис. 1.8. Схемы фокусирования ультразвука линзами и зеркалами
22
кнутые цилиндрические. Первый вид позволяет получить большую
концентрацию акустической энергии в небольшом объеме. Корытообразные излучатели дают меньшее фокусирование энергии, но зона концентрации у них вытянута по оси корыта.
Ультразвуковые волны низких частот распространяются сфери­
чески. По мере увеличения частоты колебаний и, соответственно этому, уменьшения длины волны, пучок ультразвуковых волн становится прямолинейнее. Прямолинейность распространения ультразвуковых волн высокой частоты (800–3000 кГц) обуслов­ливает их применение в физиотерапии. Эти волны распростра­няются параллельно
друг другу, их можно сконцентрировать на ограниченном участке.
Закономерность распространения высоко­частотных ультразвуковых
волн приближается к закономерности распространения света: поглощение, преломление, отражение от границы двух сред.
Ультразвуковые волны подчиняются тем же законам, что и звуковые волны. В связи с большей частотой и соответственно меньшей
длиной волны, чем звуковые, УЗ волны легче фокусируются, они
сильнее поглощаются средой.
Мощность УЗ волны, приходящаяся на единицу рабочей поверхности излучателя, называется удельной мощностью или интенсивностью ультразвука. Обычно максимальная интенсивность терапевтических воздействий 2÷2,5 Вт/см2. Если площадь головки облучателя колеблется в пределах от 4 до 12 см2, то полная УЗ мощность излучателя в малых аппаратах составляет 8÷10 и в больших
до 25÷30 Вт.
Аппараты для УЗ терапии состоят из
генератора УЗ колебаний, к колебательному контуру которого подключен пьезоэлектрический преобразователь (излучатель). Преобразователь выносится
в отдельную головку, соединенную кабелем с аппаратом (рис. 1.9).
Схема типового терапевтического
из-лучателя приведена на рис. 1.10. Получаемая в излучателях такого типа
УЗ волна не имеет большой мощности.
В то же время в ряде медицинских прило- Рис. 1.9. Ультразвуковые
жений (например, для разрушения камнаконечники блока
ней в почках, желчном пузыре, печени) ультразвуковой терапии
для аппаратов «Эсма»
требуется достаточно большая мощность.
23
›ÔÊÇÃÇйÊËÇËÆÔÂ
ùº¾ÄÕ
£ÇÆ˹ÃËƹØÈÉÌ¿Áƹ
¨Õ¾ÀÇÈĹÊËÁƹ
¡ÀÄÌй×Ò¹Ø
ÈÇ»¾ÉÎÆÇÊËÕ
¥¾Ë¹ÄÄÁоÊÃÁÂËÇɾÏ
Рис. 1.10. Упрощенная структура терапевтического УЗ-излучателя
3
6
4
$
Рис. 1.11. Схема получения мощных фокусированных акустических
импульсов: 1 – сферический излучатель;
2 – электроды; 3 – биологическая ткань
Такие волны получают с помощью фокусирующих преобразователей, имеющих вогнутые излучающие поверхности. В медицине
для получения мощного акустического импульса используется сферический излучатель (рис. 1.11). Для получения максимального эффекта от его работы УЗ излучатель проектируют так, чтобы он работал на частоте резонанса. В таком излучателе пьезопластина размещается на массивном металлическом торце головки излучателя.
Корпус вместе с металлическим торцом является одним проводом токопровода. К металлическому покрытию или к пластине на
другой стороне пьезопластины напряжение подводится через контактную пружину.
В момент замыкания электрического ключа S между электродами возникает электрический разряд. Электроды располагают так,
чтобы место разряда находилось в фокусе сферы. Возникающий
акустический импульс, отражаясь от сферической поверхности излучателя, вызывает деформацию биологической ткани. Изменяя
24
значение тока электрического разряда между электродами, можно
изменять интенсивность акустического импульса, а изменяя частоту разряда конденсатора С – частоту следования импульсов.
Если использовать несколько таких излучателей и разместить
их так, чтобы энергия каждого излучателя в основном рассеивалась
в одной зоне, то можно существенно уменьшить акустические нагрузки на те части биологической ткани, которые не должны быть
разрушены. Действительно, если с четырех только что описанных
фокусирующих УЗ излучателей ввести колебания в биообъект с четырех сторон, то все явления в ней будут идти в четыре раза интенсивнее, чем в случае одного излучателя. При этом акустическая нагрузка на биоткань в местах введения в нее ультразвука останется
такой же, как и при одном излучателе.
1.3. Приборы физиотерапии
Для лечения используют аппараты УЗТ. Первая из следующих за
этой аббревиатурой цифра указывает на округленную частоту генерируемых колебаний (1 МГц ~ 880 кГц, 3 МГц ~ 2640 кГц), а последняя буква – область применения (Ф-терапевтический, С – стоматологический, У – урологический, Л – оториноларингологический,
Г – гинекологический). Кроме них, используют и еще ряд аппаратов
непрерывной и импульсной УЗ терапии (см. далее в тексте).
Структурная схема аппарата УЗ терапии приведена на рис. 1.12.
В последние годы в УЗ терапевтических аппаратах широкое применение получили пьезопреобразователи из керамики титаната бария. Это – спеченные при высокой температуре мелкие кристаллы,
т.е. керамика имеет поликристаллическую структуру. Преимуществом ее перед кварцем является стоимость и меньшая величина
напряжения, необходимого для возбуждения УЗ колебаний (напряжение на кварцевой пластинке при частоте 880 кГц и интенсивности 2 Вт/см2 превышает 1500 В, на пластине из керамики титаната
бария при той же интенсивности – не более 100 В). Это позволяет
упростить конструкцию аппарата, в частности, применить для питания головки гибкий низковольтный кабель.
Модулятор (управляемый ключ) управляется генератором импульсов регулируемой длительности. Предварительный усилитель
производит ступенчатую регулировку коэффициента усиления. Все
регулировки осуществляются с помощью пульта управления, снабженного процедурными часами, которые отключают блок питания
25
™»ËǼ¾Æ¾É¹ËÇÉ
¬ йÊËÇËÔ
¥Ç½ÌÄØ
ËÇÉ
¨É¾½»¹ÉÁ
˾ÄÕÆÔÂ
ÌÊÁÄÁ˾ÄÕ
œ¾Æ¾É¹ËÇÉ
ÁÅÈÌÄÕÊÇ»
ɾ¼ÌÄÁ
É̾ÅÇÂ
йÊËÇËÔ
¨ÌÄÕË
ÌÈɹ»
ľÆÁØÊ
ÈÉÇϾ½ÌÉ
ÆÔÅÁ
йʹÅÁ
›ÔÎǽÆÇÂ
ÌÊÁÄÁ˾ÄÕ
šÄÇÃ
ÈÁ˹ÆÁØ
¡Æ½ÁùËÇÉ
šÁÇǺӾÃË
¡ÀÄÌй˾ÄÕ
Рис. 1.12. Обобщенная структурная схема аппарата УЗ терапии
по истечении установленного времени длительности процедуры.
Индикатор показывает наличие сигнала УЗ частоты на выходе усилителя.
В качестве примера приведем внешний вид аппарата УЗ терапии
УЗТ-1.01Ф (рис. 1.13).
На его передней панели помещены: разъем «Выход» для подключения кабеля излучателя; световые индикаторы; кнопочные переключатели интенсивности, режимов работы и длительности импульсов; процедурные часы.
В аппарате предусмотрено два
режима работы: непрерывный и
импульсный. В непрерывном режиме частота гармонических колебаний 0,88 МГц, в импульсном – формируется последовательность высокочастотных импульсов с той же частотой заполнения,
длительностью 2, 4 и 10 мс и периРис. 1.13. Аппарат ультразвуковой
терапии УЗТ-1.01 Ф
одом повторения 20 мс (рис. 1.14).
26
Для примера приведем еще несколько аппаратов УЗ терапии
с различными излучающими головками.
Аппарат для лечения ультразвуком артозартритов, пародонтоза,
келоидных и послеоперационных рубцов лица и шеи представлен
на рис. 1.15.
Аппарат, предназначенный для лечения ультразвуком урологических заболеваний типа цистита, дистаний, хронического пиелонефрита, мочекаменной болезни, хронического простатита, показан на рис. 1.16.
Аппарат, предназначенный для генерирования ультразвуковых
механических колебаний в целях воздействия ими на отдельные
участки тела, показан на рис. 1.17.
Схемно аппарат УЗТ-1.01Ф реализован на микропроцессорной
базе, что позволяет упростить эксплуатацию аппарата, сделать на6#
6#
6#
UD
UD
UD
Рис. 1.14. Диаграммы работы
модулятора
Рис. 1.15 -Аппарат ультразвуковой
терапии УЗТ-1.02 С
Рис. 1.16. Аппарат ультразвуковой
терапии УЗТ-1.03 У
Рис. 1.17. Аппарат ультразвуковой
терапии УЗТ-1.01Ф – МедТеКо
27
глядным установку режимов работы, реализовать контроль за контактом с кожей при проведении процедуры, упростить сервисное
обслуживание, в частности, при настройке нового датчика и ремонте аппарата.
Еще один аппарат ультразвуковой терапии NEMECTROSON 400
показан на рис. 1.18.
Показания к использованию аппарата:
1. Кожные заболевания (рубцы и спайки, склеродермия, бородавки).
2. Ограничения движений суставов (дегенеративные болезни суставов, ревматоидный артрит, болезнь Бехтерева).
3. Заболевания внутренних органов (бронхиальная астма, функциональные заболевания желудочно-кишечного тракта).
Рис. 1.18. Аппарат ультразвуковой терапии NEMECTROSON 400
Рис. 1.19. Аппарат ультразвуковой низкочастотный
оториноларингологический ТОНЗИЛЛОР-М
28
4. Патологические изменения мышц в скелетной области (миофиброз, миофасцит).
5. Патологические изменения в сухожилиях (тендинит, бурсит).
6. Патологические изменения нервных корней и периферической нервной системы (радикулиты, невриты, невралгия, опоясывающий герпес).
Аппарат ультразвуковой низкочастотный оториноларингологический ТОНЗИЛЛОР-М (рис. 1.19) предназначен для консервативного и хирургического лечения заболеваний лор-органов путем воздействия энергией низкочастотных ультразвуковых колебаний на
пораженные биоткани как через лекарственные препараты, так и
контактно. Возможно его применение и в других областях медицины для санации инфицированных ран. Аппарат может быть применен в амбулаторных и в стационарных условиях.
Достоинствами аппарата и соответствующих методик лечения
им заключается в высокой эффективности как при консервативном,
так и при хирургическом лечении заболеваний лор-органов за счет
сочетания воздействия энергии низкочастотного ультразвука и лекарственных веществ на пораженные или поврежденные биоткани
организма.
На рис. 1.20–1.22 показаны ультразвуковые аппараты, в которых терапия осуществляется ультразвуком частоты 3 МГц, имеется два отдельных излучателя для лица и один для тела. Это эффективная терапия от целлюлита и морщин на лице.
Рис. 1.20. Аппарат
MEDIO SONO COSMETIC
Рис. 1.21. Ультразвуковой аппарат
УЗМТ 2.12-01 ГАЛАТЕЯ
29
Рис. 1.22. Прибор ультразвуковой терапии US-3HF27
Способствует проникновению кремов и препаратов глубоко
в подкожный слой.
Полезно в заключение перед рассмотрением лечебных методик
рассмотреть основные технические характеристики некоторых УЗаппаратов (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Технические характеристики УЗ-аппаратов
Тип
Назначение
Рабочая
частота,
кГц
УЗТ-1.01 Ф
УЗТ-1.01
Ф-МедТеКо
Лечение
опорнодвигательного
аппарата и
периферической нервной
системы
880
УЗТ-1.02 С
Стоматология и
лечение послеоперационных
рубцов лица и
шеи
880
30
Режимы
работы
Непрерывный
Импульсный: τи =2,
4, 10 мс
Fп = 50 Гц
Непрерывный
Импульсный: τи = 2,
4, 10 мс
Fп =50 Гц
ЭффекМакс.
тивная
интенсивность, площадь
зонда
Вт/см2
1,0
1и4
0,7
0,4
0,2
0,05
1,0; 0,7
0,4; 0,2
0,05
1и2
Продолжение табл. 1.1
Тип
УЗТ-1.03 У
Назначение
Урология
Рабочая
частота,
кГц
880
Режимы
работы
Непрерывный
Импульсный: τи =2,
4, 10 мс
Fп =50 Гц
ЭффекМакс.
тивная
интенсивность, площадь
зонда
Вт/см2
1,0; 0,7
1, 2 и 4
0,4; 0,2
0,05
УЗТ-1.04 О
Офтальмология
880
1,0; 0,7
Непрерывный
0,4; 0,2
Импульсный: τи =2, 4,
0,05
10 мс
Fп =50 Гц
1и4
УЗТ-1.07 Ф
Лечение
опорнодвигательного
аппарата и
периферической нервной
системы
880
Непрерыв0÷1
ный
Импульсс шагом
ный: τи =2, 4,
0,1
10 мс
Fп =50 Гц
1и4
УЗТ1.3.01Ф
МедТеКо
Воздействие
на отдельные
участки тела
880
2640
Непрерыв1,0; 0,7
ный
Импульс0,4; 0,2
ный: τи =2, 4,
0,05
10 мс
Fп =50 Гц
1и4
УЗТ-31 Г
Гинекологический
2640
Непрерывный
2,5
2 и 0,5
УЗМ-01
«Галатея»
многофункциональный
Опорнодвигательная, нервная,
сердеч-нососудистая,
бронхолегочная,
мочепо-ловая
системы, ЛОРорганы, глаза,
кожа, в стоматологии
32
880
2640
Непрерывный
Пульсирующий с частотой 100 Гц
0÷1
1и4
с шагом
0,1
31
Окончание табл. 1.1
Назначение
Рабочая
частота,
кГц
MEDIO
SONO
COSMETIC
Косметический
3000
УЗТ-1305
Гастроэнтерология, урология,
проктология
880
ЛОР-3
Отоларингологический
880
УЗТ-101
Неврологический
880
Тип
Режимы
работы
ЭффекМакс.
тивная
интенсивность, площадь
зонда
Вт/см2
Непрерывный
Импульсный τи =2;
4; 12,5 мс
соответственно
Fп =100 Гц,
48 Гц, 16 Гц
2,0
1и5
Непрерывный
Импульсный
Непрерывный
Импульсный
Непрерывный
Импульсный
2,5;
1,25
0,5;
1; 4
1,6
2 и 0,4
2,5;
1,25
1и4
3,0
В добавление к таблице отметим, что в медицине принято выделять три диапазона интенсивностей:
1. 0,05–0,6 Вт/см2 – низкий уровень интенсивности;
2. 0,6–1,2 Вт/см2 – средний уровень интенсивности;
3. Свыше 1,2 Вт/см2 – сверхтерапевтический, высокий уровень
интенсивности.
Международная электротехническая комиссия приняла решение, что максимальная интенсивность с головки излучателя терапевтического аппарата не должна превышать 3 Вт/см2.
Для определения мощности (N) акустического излучателя любого ультразвукового аппарата достаточно интенсивность ультразвука (Вт/см2) умножить на площадь поверхности излучающей головки (см2): N = I · S.
Для измерения мощности ультразвука применяют так называемые ультразвуковые весы, где используется принцип постоянного акустического давления, находящегося в прямой связи с мощностью ультразвуковых волн.
32
Ультразвуковая волна, падая на встре
чающееся на пути препятствие, оказывает
на него давление, величина которого прямо
пропорциональна мощности ультразвука и
поэтому может служить для ее косвенного
измерения. На использовании этого явления
и основано устройство применяемых в медицинской практике измерителей ультразвуковой мощности, так называемых ультраРис. 1.23. Прибор ИМУ
звуковых весов (рис. 1.23).
(ультразвуковые весы)
Прибор представляет собой чувствительное измерительное устройство, помещенное
в герметически закрытый корпус, заполненный ди­стиллированной дегазированной водой. В верхней части корпуса имеется горловина 1, перегороженная тонкой полиэтиленовой пленкой. При измерении в горловину вставляется головка ультразвукового терапевтического аппарата.
В качестве измерительного устройства используются высокочувстви­тельные рычажные весы.
Отсчет ультразвуковой мощности производится по откло­нению
стрелки по шкале 2, проградуированной в ваттах.
В заводских условиях тарировка прибора производится весовым
ме­тодом. Излученной в воду ультразвуковой волне мощностью 10 Вт
соот­ветствует сила давления на датчик 0,714 г (тарировка производится в воде).
На рис. 1.24 показан измеритель мощности ИМУ-3, на рис. 1.25 –
измеритель мощности ультразвука ИМУ-4ПМ, построенные по такому же принципу.
Рис. 1.24. Измеритель мощности
ультразвука ИМУ-3
Рис. 1.25. Измеритель мощности
ультразвука ИМУ-4ПМ
33
1.4. Методики лечения ультразвуком
Проведение УЗ-процедуры возможно двумя основными способами:
1) контактно, путем приложения торцевой поверхности головки
излучателя к области, подлежащей воздействию;
2) косвенным контактом через иммерсионную жидкость, осуществляемым с помощью водяной ванны или водяной подушки (пузыря из тонкой резины, наполненного водой).
В связи с тем, что УЗ колебания отражаются даже от тончайших
прослоек воздуха в первом способе, к телу пациента их подводят,
так же, как и при диагностике, через безвоздушные контактные
среды – вазелиновое или растительное масло, лекарственные мази,
смазку на основе парафинов.
Контактный способ применяется при воздействии на относительно плоские поверхности тела и может быть как неподвижным
(стабильным), так и подвижным (лабильным), при котором головку
излучателя плавно массирующим движением перемещают в продольном направлении и по кругу по всей поверхности области воздействия. Скорость передвижения излучателя 1–2 см/с. В области
максимально выраженных болевых точек полезно задержать излучатель на 5–10 секунд (рис. 1.26).
Время процедуры составляет 1–5 мин, максимум 10–15 мин и зависит от величины поля воздействия. На курс лечения назначают,
Рис. 1.26. Расположение облучателя
при действии ультразвука на правое легкое
34
обычно, от 8 до 12 процедур. По показаниям лечащего врача УЗ терапию можно повторить через 2–3 месяца [1].
Стабильная методика в настоящее время почти не применяется,
так как вследствие механической неоднородности тканей и возможного формирования «стоячих» волн, стабильная методика может
привести к их локальному перегреву.
Воздействие может быть прямое и непрямое (косвенное). При
прямом непосредственно воздействуют на соответствующие органы
и ткани (мышцы, суставы и др.), при непрямом – на больной орган
через соответствующие рефлексогенные зоны (корешки спинного
мозга и симпатические узлы – сегментарное воздействие).
Для воздействия на небольшие участки тела (глаз, верхнечелюстные пазухи, нос и т. д.) применяют дополнительные насадки или тубусы, прикрепляемые к вибратору и заполняемые водой.
Воздействие ультразвуком проводят на ограниченных участках
площадью в среднем 150–200 см2. При необходимости воздействия
на большую площадь всю поверхность целесообразно делить на несколько полей, воздействуя поочередно каждый раз на 2–3 поля.
Процедуры ультразвука проводят через 1–2 часа после еды
в удобном для больного положении (сидя или лежа).
Кроме контактного способа, как уже говорилось, применяется
также воздействие через воду: в ванне или с помощью наполненных
водой мешочков.
При подводном воздействии соответствующую конечность и вибратор помещают в ванночку с подогретой пресной водой (такая вода содержит меньше пузырьков газа), устанавливая последний неподвижно или медленно перемещая его под водой вдоль участка воздействия на расстоянии 1–2 см от него (рис. 1.27).
Рис. 1.27. Расположение излучателя при действии ультразвука
на голеностопный сустав
35
Ультразвук, наряду с другими средствами, используется при лечении моче- и желчекаменной болезни. Такой неоперативный (т. е.
без вмешательства) метод называется экстракорпоральная ударноволновая литотрипсия. Суть его заключается в дроблении камней для последующего их выведения средствами самого организма – через мочу или желчь. При этом волны генерируются внешним источником энергии и передаются от него к месту проведения
операции. Специальный прибор – литотриптор – позволяет точно
выявить местоположение камня с помощью УЗ волн и с их же помощью производит дробление камней. В приборах старого образца пациенту должна быть проведена предварительная анестезия,
а его тело погружено в ванну с водой. В приборах нового образца
этого не требуется, и процесс дробления камней в организме человека значительно упрощается.
Лекарственный ультрафонофорез – сочетание воздействия УЗ
колебаний и вводимых с их помощью лекарственных веществ.
Параметры. Непрерывные УЗ колебания частотой 22–44 кГц,
880кГц и 2640 кГц. Для импульсной терапии применяют серии
импульсов с частотами заполнения 1и 3 МГц, длительностью импульса обычно τи= 0,5÷10 мс и частотой повторения импульсов
Fп = 16÷100 Гц.
Непрерывный режим: интенсивность 0,05÷2 Вт/см–2.
Импульсный режим: интенсивность 0,1÷2 Вт/см–2.
Эффективная площадь воздействия колеблется от 0,7 до 5,4 см2.
Используют также воздействие УЗ на биологически активные
точки с целью достижения определенных терапевтических эффектов, называемое фонотерапией. Она осуществляется с помощью терапевтических УЗ-аппаратов, позволяющих генерировать ультразвук малой интенсивности (0,05 Вт/см2) и снабженных излучателями с малой площадью активной поверхности (от 0,2 до 1 см2): например, ЛОР-3, УЗТ-102, УЗ-Т10 и др.
36
Литература к 1-му разделу
1. Боголюбов В. М., Пономаренко Г. Н. Общая физиотерапия: учебник. М.: Медицина, 2003.
2. Кореневский Н. А., Попечителев Е. П., Филист С. А. Приборы
и технические средства для терапии: учебн. пособие: в 2 ч. Ч. 1 /
Курск, гос. техн. ун-т, Курск, 2005.
3. Ливенсон А. Р. Электромедицинская аппаратура. М.: Медицина, 1981.
4. Использование ультразвука в медицине: реферат. Internet,
www. referatic. ru
5. Миллер Э., Хилл К., Бэмбер Дж. и др. Применение ультразвука
в медицине / под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.
6. Бэмбер Дж. Ультразвук в медицине: физические основы. М.:
Физматлит, 2008.
7. Пономаренко Г. Н., Турковский И. И. Биофизические основы
физиотерапии. М.: Медицина, 2006.
37
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЛЕЧЕБНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В ЛАЗЕРОТЕРАПИИ
2.1. Фототерапия. Оптические свойства тканей организма
Свет используется для лечения разнообразных болезней очень
давно. Еще в древности считалось, что воздух, питание, движение
и свет – необходимые условия физического и психического здоровья. Самым важным из этих факторов является свет. Недаром Эскулап – бог медицины – был сыном бога света Феба Аполлона.
На рубеже XIX и XX веков в медицине происходило бурное развитие нового метода лечения – фототерапии (светолечения), а именно: лечения с использованием узких спектров видимой области света (фотохромотерапии). До изобретения электричества применялся
солнечный свет, пропущенный через различные фильтры. Наиболее действенной считалась красная область света. Предполагалось,
что красный свет повышает устойчивость организма к инфекциям.
В 1889 г. датский врач-исследователь Нильс Финзен (1860–1904)
изобрел аппарат, разработал принципы и методику фототерапии.
Методика Финзена с успехом прошла клинические испытания.
Им же был организован институт светолечения и клиника для больных – Финзеновский медицинский Институт Света (Copenhagen).
Принципы, сформулированные Н. Финзеном, звучат чрезвычайно современно: различные спектры светового излучения оказывают
различное терапевтическое действие. Наиболее эффективны области красного и синего света: «красный лечит все хроническое, синий все острое». Эффективность фототерапии зависит от качества
фильтрации света. Аппарат Финзена представлял собой устройство
с ярким источником света – дуговой лампой, системой линз для фокусировки луча и рубиновым фильтром для фильтрации света. Таким образом, излучаемый спектр находился в пределах 0,64÷0,68 нм
с предполагаемой мощностью излучения около 5÷10мВт. Финзен
настаивал на применении именно рубинового фильтра, подчеркивая, что использование фильтра из крашеного стекла существенно
снизит терапевтическую эффективность.
Работы Финзена получили признание ученого мира того времени, и в 1903 г. он был удостоен Нобелевской премии в области медицины. Метод Финзена нашел своих последователей и в России, где
практически во всех крупных городах были организованы лечебные кабинеты.
38
В дальнейшем появление работ американских радиобиологов
в области фотореактивации (А. Кельнер, 1949), объясняющих эффект фототерапии, а, главное, изобретение лазеров, явилось предпосылкой к продолжению работ в области фототерапии в ее новом
качестве – лазеротерапии (ЛТ).
Воздействие оптического излучения на биологические ткани.
При взаимодействии с поверхностью тела человека часть оптического излучения отражается, другая рассеивается во все стороны,
третья поглощается, а четвертая проходит через ткани. Указанный процесс характеризуют коэффициентами отражения, рассеяния, поглощения и пропускания тканей и сред.
Проникающая способность излучений оптического диапазона
невелика – она не превышает десятых долей миллиметра для ультрафиолетовых и длинноволновых инфракрасных лучей; максимально в кожу человека проникают красные и ближние инфракрасные лучи – на глубину до 1–3 мм.
Чаще всего объектом взаимодействия ЭМП оптического диапазона с организмом является кожа. Коэффициент отражения оптического излучения слабопигментированной кожей достигает 43–55%
и зависит от многих причин, даже от пола человека. У мужчин он
на 5–7% ниже, чем у женщин. Пигментированная кожа отражает
свет на 6–8% слабее. Нарастание угла падения света на поверхность
кожи увеличивает коэффициент отражения до 90% [2]. Различные
слои кожи неодинаково поглощают оптическое излучение разной
длины волны.
Взаимодействие электромагнитных волн оптического диапазона с биологическими объектами проявляется как в волновых, так
и в квантовых эффектах, вероятность формирования которых зависит от длины волны. Наряду с отражением, рассеянием и поглощением (волновые закономерности), необходимо учитывать корпускулярные эффекты – фотохимический (под действием световых лучей происходят химические реакции), фотоэлектрический
(изменение электрических свойств вещества), фотолитический
(распад молекул вещества под действием света) и др. Определяющим здесь является поглощение энергии световых квантов атомами и молекулами биологических тканей. В результате образуются
электронно-возбужденные состояния молекул с переносом энергии
кванта (внутренний фотоэффект) и происходит электролитическая
диссоциация и ионизация биологических молекул. В инфракрасной
области энергия фотонов достаточна только для увеличения энер39
гии колебательных процессов биологических молекул. Видимое
излучение способно вызвать их электронное возбуждение и фотолитиз. Ультрафиолетовое излучение вызывает ионизацию молекул
и разрушение ковалентных связей.
На следующем этапе энергия оптического излучения трансформируется в тепло или образуются первичные фотопродукты, выступающие пусковым механизмом фотобиологических процессов.
Степень проявления фотобиологических эффектов в организме зависит от интенсивности оптического излучения, которая обратно
пропорциональна квадрату расстояния от источника до облучаемой
поверхности. Исходя из этого, в клинической практике определяют
не интенсивность, а дозу облучения на определенном расстоянии от
источника путем измерения времени облучения (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Методы лечебного применения электромагнитных излучений
оптического диапазона
Характер излучений
Методы лечебного применения
Инфракрасное излучение
Видимое излучение
Ультрафиолетовое излучение:
– длинноволновое (ДУФ);
– средневолновое (СУФ);
– коротковолновое (КУФ)
Монохроматическое когерентное излучение
ИК-облучение
Хромотерапия
УФ-облучение:
– длинноволновое;
– средневолновое;
– коротковолновое
Лазеротерапия
Фотодинамическая терапия
Рассматривать подробно все виды ЭМИ оптического диапазона
мы не будем, остановимся только на лазерном излучении. Одной из
важнейших характеристик лазерного излучения является его спектральная характеристика, или длина волны, измеряемая в нанометрах или микрометрах (1 мкм = 1000 нм).
Для лазеротерапии (ЛТ) чаще всего используют оптическое излучение красного (λ = 0,632 мкм) и инфракрасного (λ = 0,8÷1,2 мкм) диапазонов, генерируемое в непрерывном или импульсном режимах. Частота следования импульсов выбирается из диапазона 10÷5000 Гц.
Высокая эффективность ЛТ, возможность сочетания ее с другими лечебными факторами, наряду с минимальным риском для
здоровья пациента, не вызывают сомнения в его перспективности
и необходимости более широкого применения.
40
В последнее время лазеротерапия постоянно пополняется новыми знаниями о механизмах воздействия лазерного света на
организм человека, новыми методиками, современной аппаратурой. Перспективность развития этого направления признана во всех областях медицины как отечественными, так и иностранными исследователями (Ohshiro T., Calderhea R. G.,1989;
Germany G., Magnetti A. et al.,1986). И все же, несмотря на определенные успехи, например, в травматологии и ортопедии лазер делает первые шаги. Предстоят новые разработки в области
применения лазерной техники, новые подходы к применению
лазерного света.
2.2. Физика лазерного излучения
Лазеротерапия – методика лечения оптическим излучением,
источником излучения в которой является лазер – генератор электромагнитных волн в диапазонах ультрафиолетового, видимого
и инфракрасного излучений. Это класс приборов, в конструкции которых использованы принципы усиления оптического излучения
при помощи индуцированного испускания квантов (LASER –Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с
помощью вынужденного излучения).
Принцип действия лазера основан на квантово-механических
процессах, происходящих в объеме активной рабочей среды излучателя. Из законов квантовой механики следует, что энергия электрона, связанного в атоме, может принимать только вполне определенные значения E0, E1, E2,...En, которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E0, при котором энергия
электрона минимальна, называется основным. Остальные уровни,
начиная с E1, называются возбужденными и соответствуют более
высокой энергии электрона. Электрон переходит с одного из низких
уровней на более высокий, поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения.
А при переходе с высокого уровня на низкий электрон отдает энергию в виде фотона. В обоих случаях энергия фотона E = hν = h · c/λ
равна разности начального и конечного уровней:
hνmn = Em – En,
(2.1)
где h = 6,626176 · 10–34 Дж · с – постоянная Планка; νmn – частота
перехода из состояния n в состояние m; Гц. Em – энергия возбуж41
денного (конечного) состояния, Дж; En – энергия начального состояния, Дж.
При отсутствии внешнего возбуждения атомная система стремится к состоянию с минимальной внутренней энергией. При внешнем возбуждении электрон занимает уровень с большей энергией,
поглощая при этом часть энергии.
В возбужденном состоянии атом неустойчив. Рано или поздно
(в среднем за 10–8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив
электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов
приводит к тому, что все атомы вещества излучают не одновременно
и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные
источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.
Излучение фотона не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяется формулой (2.1), из которой следует, что:
ν21 = (E2 – E1)/h.
(2.2)
Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что
и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа
фотонов. Возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта схематически представлены на рис. 2.1.
Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое
свойство – когерентность – теоретически предсказано А.Эйнштейном
в 1916 г. и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой
механики в 1927–1930 гг.
Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии
гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая
волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Вещество, в котором возбужденных атомов
гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется
активным.
42
&
&
¸
&
&
¹
&
&
º
Рис. 2.1. Условное изображение процессов а – поглощения;
б – спонтанного испускания; с – индуцированного испускания кванта
Интенсивность излучения при этом падает, подчиняясь закону
Бугера:
Il = I0e–kl,
(2.3)
где I0 – исходная интенсивность; Il – интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе с коэффициентом поглощения k.
Из уравнения видно, что среда поглощает свет очень сильно – по
экспоненциальному закону.
Число электронов на определенном уровне En называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E2 > E1 – инверсной
заселенностью. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна, частота которой ν = ν21. Тогда за счет излучения
при вынужденных переходах E2 → E1 (которых значительно больше, чем актов поглощения E1 → E2) будет происходить ее усиление.
А с точки зрения квантовой механики это означает, что каждый
пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порождают еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная
лавина.
Такое явление приводит к экспоненциальному закону нарастания интенсивности излучения, который записывается аналогично закону Бугера (2.3), но с коэффициентом квантового усиления α
вместо –k:
Il = I0 eα l.
(2.4)
На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов
не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.).
В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз,
только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких
метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить
43
активное вещество в резонатор между двумя параллельными зеркалами, ограничивающими активную среду с двух сторон. Волна,
многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого
усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов
будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.
Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, как уже
упоминалось, называется активной. Одно из зеркал полупрозрачно
и может осуществлять вывод излучения, усиленного активной средой (рис. 2.2).
Активная среда служит резонансным усилителем светового сигнала. Для того чтобы возникала генерация света, необходимо использовать положительную обратную связь. Для этого активную
среду и нужно расположить между двумя высококачественными
зеркалами, отражающими свет строго назад, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс
™ÃËÁ»Æ¹ØÊɾ½¹
œÄÌÎǾ
À¾ÉùÄÇ
°¹ÊËÁÐÆÇ
ÈÉÇÀɹÐÆǾ
À¾ÉùÄÇ
¦¹Ã¹Ðù
Рис. 2.2. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере
44
индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот
процесс в лазерной физике принято называть накачкой.
Инверсную заселенность (накачку) можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который
как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних
энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах
квантовых процессов, разумеется), чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов) (рис. 2.3).
«Времена жизни» уровней E2 и E3 указаны на рис. 2.4. Уровень
E2 – метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2 – безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1.
Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим
образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E0 на самый верхний E3. Оттуда они спускаются на уровень E2,
где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания
фотонов (такой уровень называется метастабильным). И только под
воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E0, испуская вынужденное излучение частотой ν = (E2 – E0)/h, когерентное исходной волне.
Подобные процессы имеют место в рубиновом лазере. В нем атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаτ≈0 Ê
¨Ç¼ÄÇÒ¾ÆÁ¾Ê»¾Ë¹
&
τ≈1- Ê
&
&
§ÊÆÇ»ÆǾÊÇÊËÇØÆÁ¾
Рис. 2.3. Трехуровневая схема оптической накачки
45

¥½

֛

֛
֛
§ÊÆÇ»ÆǾ
ÊÇÊËÇØÆÁ¾
Å¥
ªÇ̽¹É¾ÆÁØ
¦¹Ã¹Ðù»ÖľÃËÉÁоÊÃÇÅ
ɹÀÉؽ¾
¥¾Ë¹Ê˹ºÁÄÕÆÔÂ
ÌÉÇ»¾ÆÕ
֛



§ÊÆÇ»ÆǾ
ÊÇÊËÇØÆÁ¾
/½
Рис. 2.4. Механизм накачки He–Ne лазера
точно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–
накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа
невозбужденных. В рубиновом лазере накачка производится
через третий выше расположенный уровень (рис. 2.3). В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам
хрома.
Накачка лазерного перехода E4 → E3 в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия
переходит в верхнее метастабильное состояния E2. Возбужденные
атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень
E4 неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E2
гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической
энергии соударяющихся атомов.
Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона
На уровне E4 неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E3, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни.
46
При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона
начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между
высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация.
Для получения устойчивой генерации необходимо, чтобы усиление излучения в активной среде за двойной переход в резонаторе
было равно или больше полных потерь излучения на этом же пути,
включая потери на выходе излучения через полупрозрачное зеркало. Выходящее за пределы резонатора излучение (в виде светового
пучка) имеет высокую степень направленности, так как активной
средой усиливается только излучение,
параллельное оптической оси резонатора. Полная мощность
(энергия) лазерного излучения пропорциональна объему активной
среды и мощности источника внешнего возбуждения (накачки).
Свойства лазерного излучения. Основные свойства лазерного излучения: монохроматичность, когерентность и направленность.
До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. Это
дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации, особенно в связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу
времени.
Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.
Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный
луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса
огромную плотность энергии.
Монохроматичность излучения определяется диапазоном частот излучения. Степень монохроматичности для спектральной линии определяют по формуле
µ = Δλ/λ0 = Δω/ω0,
(2.5)
где Δλ – ширина оптического спектра, нм; Δω – ширина частотного
спектра, Гц.
При малой Δω лазер может характеризоваться одной длиной волны или одной частотой.
Когерентность лазерного излучения связана с корреляционной
характеристикой полей излучения. Если поле образовано в одно
47
и то же время пространственно разнесенными источниками, то говорят о пространственной когерентности. Если поле образовано одним и тем же источником, но рассматривается в различные моменты времени, говорят о временной когерентности.
Если в результате сложения полей результирующая интенсивность І в какой-либо точке, в зависимости от соотношения фаз,
2
лежит в пределах от ( I1 − I2 ) до ( I1 + I2 )2 , говорят, что источники когерентны. Если же результирующая интенсивность
определяется простой суммой отдельных интенсивностей, то говорят о некогерентности источников [3].
Свойство когерентности излучения характеризуется функцией
когерентности, которая представляет собой среднее значение по
времени от произведения двух компонент электромагнитного поля –
амплитуды и фазы – в двух точках поля.
Направленность лазерного излучения характеризуют телесным
углом, в сечении представляющим собой конус. Поэтому в качестве
параметра расходимости выбран плоский угол расхождения потока
(угол расходимости).
Основная часть энергии сосредоточена в основном лепестке диаграммы направленности излучения, в боковых лепестках интенсивность поля не более 2% от наибольшей интенсивности (рис. 2.5).
Параметры излучения лазеров делят на внутренние и внешние.
К внутренним параметрам относят: мощность и энергию излучения,
распределение мощности и энергии внутри пучка, угловую расходимость, линейный размер пучка, длину волны излучения, когерентность (пространственную и временную), поляризацию. При применении импульсных лазеров определяют энергию излучения за
время длительности импульса, а для лазеров непрерывного действия – мощность излучения.
Рис. 2.5. Распределение мощности излучения по сечению луча
полупроводникового лазера
48
Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты ν и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых
в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при
определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но,
тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E
в единице объема и частоты ν (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (1015 Вт)
имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов. Правда, такие лазеры в медицинской терапии не применяют.
Типы лазеров. Твердотельные лазеры. Первой твердой активной
средой лазера стал рубин – кристалл корунда Al2O3 с небольшой
примесью ионов хрома Cr+++. Сконструировал его Т. Мейман (США)
в 1960 г. Широко применяется также стекло с примесью неодима
Nd, алюмо-иттриевый гранат Y2Al5O12 с примесью хрома, неодима и редкоземельных элементов в виде стержней. Накачкой твердотельных лазеров обычно служит импульсная лампа, вспыхивающая примерно на 10–3 секунды, а лазерный импульс оказывается
раза в два короче. Часть времени тратится на создание инверсной
заселенности, а в конце вспышки интенсивность света становится
недостаточной для возбуждения атомов и генерация прекратится.
Лазерный импульс имеет сложную структуру, он состоит из множества отдельных пиков длительностью порядка 10–6 секунды, разделенных промежутками, примерно, в 10–5 секунды (см. рис. 2.6, б
и г). В этом режиме так называемой свободной генерации мощность
импульса может достигать десятков киловатт. Повысить мощность,
просто усиливая свет накачки и увеличивая размеры лазерного
стержня, невозможно чисто технически. Поэтому мощность лазерных импульсов повышают, уменьшая их длительность. Для этого
перед одним из зеркал резонатора ставят затвор, который не позволяет генерации начаться, пока на верхний уровень не будут переброшены практически все атомы активного вещества. Затем затвор
на короткое время открывается и вся накопленная энергия высвечивается в виде так называемого гигантского импульса. В зависимости от запаса энергии и длительности вспышки мощность им49
а)
в)
б)
г)
Рис. 2.6. Излучение лазеров (а, б – газового; в, г – полупроводникового):
а, в – световое пятно от луча лазера; б, г – трехмерная диаграмма
распределения интенсивности излучения по сечению луча
пульса может составлять от нескольких мегаватт до десятков тераватт (1012 ватт).
Полупроводниковые лазеры. Этот вид оптических квантовых
генераторов был создан в 1962 г. одновременно несколькими группами американских исследователей (Р. Холлом, М. И. Нейтеном,
Т. Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал
Н. Г. Басов с сотрудниками в 1958 г. Наиболее распространенные
лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr.
В соответствии с законами квантовой механики электроны
в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя
50
полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней зоны (зоны проводимости) так называемой запрещенной зоной, в которой
энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов
проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием
теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из
валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней пустое место –
«дырку». И если электрон с энергией Eэ спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию Eд, которая сопровождается излучением из
запрещенной зоны фотона частотой ν = Eэ – Eд. Накачка полупроводникового лазера осуществляется постоянным электрическим током (при этом от 50 до почти 100% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат полированные грани кристалла
полупроводника.
Полупроводниковые инжекционные лазеры, или лазерные диоды, представляют собой двухэлектродный прибор с p-n-переходом.
Генерация когерентного излучения обеспечивается инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход.
В этих приборах широкое применение находят арсенид галлия и арсенид алюминия. В них излучение светодиода многократно проходит через область инверсионной заселенности, отражаясь от противоположных граней кристалла, полученных методом скола. Проход
через полупроводниковую активную зону порождает вынужденное
когерентное излучение.
Газовые лазеры. Активной средой газовых лазеров служат газы
низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона
был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 г. А. Джаваном,
В. Беннетом и Д. Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы
активного вещества хватило для получения высокой интенсивности
излучения.
К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические,
химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).
51
По результатам наблюдения и анализа снимков можно сказать,
что интенсивность лучей газового и полупроводникового лазеров
изменяется по площади сечения: максимальная в центре она плавно спадает к краям. Газодинамический лазер похож на реактивный
двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются,
и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде
когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.
В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного
фтора с водородом.
Жидкостные лазеры. Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях
появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает
промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они
генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших
размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют
импульсными лампами и лазерами.
Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера
можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.
Устройство лазера. Несмотря на большое разнообразие типов
активных сред и методов получения инверсной заселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки
и резонатор. Лазерный луч с заданными свойствами и геометрией
создается соответствующими оптическими системами, к которым
относят резонатор, фокусирующую систему (управляющую оптику)
и другие оптические элементы.
Активная среда – вещество, в котором создается инверсная заселенность, может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима1 в виде стержней
1 Неодим – химический элемент из семейства лантаноидов, символ Nd, металл.
Лантаноиды – 14 химических элементов, следующих в периодической системе Менделеева за лантаном, близки по строению атомов и химическим свойствам.
52
различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной
(смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого
давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и
холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.
Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг
другу, между которыми помещена активная среда. Как уже говорилось, одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет;
второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для
осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко
используют призму полного внутреннего отражения, в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая
расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что
лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа – частоты (так называемую моду). После того, как
в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая
фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают
короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и
быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль
оси резонатора, многократно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды излучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз.
Оптический резонатор характеризуется двумя обобщенными параметрами:
(2.6)
q1= 1 – L/r1 и q2 = L/r2,
где L – расстояние между зеркалами, м; r1, r – радиусы кривизны
отражающих поверхностей, м.
Если выполняется условие 0 < q1q2 < 1 , резонатор называют
устойчивым. В таких резонаторах луч света при многократных отражениях от зеркал остается вблизи оптической оси. При 1 < q1q2 < 0
резонатор называется неустойчивым. В нем после серии отражений
выходной луч удаляется от оптической оси. При условиях q1q2 = 0
или q1q2 = 1 резонатор находится на границе устойчивости [3].
53
В современных лазерных системах используют как устойчивые, так
и неустойчивые резонаторы.
Для управления движением лазерного луча по заданной траектории можно использовать пару или тройку перемещающихся
в пространстве зеркал, вращающиеся линзы. Для обработки кольцевых поверхностей на плоскости используют так называемые аксионы, выполняемые из прозрачных конусов, с последующей концентрацией энергии с помощью фокусирующих систем. Благодаря цилиндрической линзе можно сфокусировать излучение в линию, лазерное
излучение легко регулируется и управляется путем деления его на
несколько частей с помощью простых оптических устройств, например, фокусирующих линз с отверстиями. Для плавной регулировки
интенсивности излучения в заданной точке можно организовать перемещение фокусирующей системы вдоль оси излучения и т.д.
Схема газового лазера на рис. 2.7 показана в качестве примера.
В настоящее время выпускается около 50 типов гелий-неоновых
лазеров с мощностью излучения от 0,5 до 100 мВт, работающих
в многомодовом, одномодовом и одночастотном режимах, применяемых в устройствах изобразительной голографии, интерферометрах,
системах записи информации, контрольно-измерительной технике,
медицинской аппаратуре, светотехнических установках для шоупрограмм. Кроме традиционных гелий-неоновых лазеров, излучающих в видимой области спектра, разработаны лазеры, работающие
в ближней и средней инфракрасной области спектра, для индицирования и диагностики многих органических соединений, в том числе
экологически вредных и социально значимых. В том числе, гелийнеоновый лазер с излучением на 3 длинах волн – видимой 630 нм
и двух инфракрасных 1150 и 3390 нм, предназначенный для использования в дистанционных газоанализаторах промышленных
_s Û
s
Рис. 2.7. гелий-неоновый лазер: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия
и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод;
3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %;
5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %
54
утечек метана и для юстировки сложных оптических систем приборов инфракрасной видимости. Завершена разработка двухчастотного
зеемановского стабилизированного лазера с повышенной (до 4 МГц)
разностной частотой.
Фокусирующие системы выполняют с применением преломляющих линз и отражающих зеркал. Линзы используют в лазерах
с малыми (до 1 кВт) мощностями излучения, а зеркала при больших
мощностях (более 1 кВт). Расчет параметров фокусирующих систем
осуществляется на основе положений геометрической оптики.
Как уже отмечалось, накачка создает инверсную заселенность
в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных
и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры,
газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.
В работах [3, 4, 5, 6] приводятся некоторые особенности схемотехники маломощных лазерных терапевтических аппаратов на
основе полупроводниковых лазеров, которые обычно представляют
собой диод с p-n-переходом грани кристалла, у которого перпендикулярные плоскости p-n-перехода отполированы (рис. 2.8).
В нем также используется инжекция (впрыскивание) электронов
и дырок в область электронно-дырочного перехода. Отличается малыми размерами (объем ~1 мм3).
Инжекционные лазеры созданы на большом числе полупроводниковых материалов и излучают в широком диапазоне длин волн –
от видимого света до инфракрасного излучения. Две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р-n-переходу, образуют
оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20–40%). Инверсия заселенностей достигается при большой
плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует
§ËÈÇÄÁÉÇ»¹ÆÆÔ¾
¼É¹ÆÁ
J
O
s
Рис. 2.8. Инжекционный лазер (структура)
55
току ~1 кА/см2, а при пониженной температуре ~ 102 A/см2). Для
получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно
легированные полупроводники.
Структура типичного полупроводникового диодного лазера показана на рис. 2.9. Несмотря на очень малые размеры, такие приборы дают на выходе достаточную мощность непрерывного излучения с высоким КПД. Лазерное излучение генерируется при
прохождении некоторого тока (называемого инжекционным) через активную область диода между разделительными слоями n- и
p-типов. При этом создаются электроны и дырки, при последующей рекомбинации которых испускаются фотоны. Длина волны
лазерного излучения определяется шириной запрещенной зоны
полупроводникового материала, причем спектральная ширина
линии излучения очень велика по сравнению с шириной атомных
переходов.
На рис. 2.9: 1 – алюминевый электрод; 2 – контактный слой
p-типа; 3 – подложка; 4 – запирающий слой; 5 и 7 – разделительные
слои; 6 – активный слой; 8 – покровный слой; 9 – контактный слой
n-типа. Прямоугольное сечение активной области обусловливает эллиптическую форму диаграммы выходного излучения.
В полупроводнике, образующем зоны с акцепторной и донорской
примесями, концентрация их достаточно высока (не менее 1018 см3).
Поэтому такие полупроводники относятся к числу вырожденных.
Их характерная особенность – небольшого количества внешней
энергии достаточно, чтобы электрон с примесного донорского уров-
ÅÃÅ
ÅÃÅ
ÅÃ
Å
Á¹¼É¹ÅŹ
ƹÈɹ»Ä¾ÆÆÇÊËÁ
2
2
Рис. 2.9. диодный (инжекционный) полупроводниковый лазер
56
ня перешел в зону проводимости у полупроводника n-типа и из валентной зоны на примесный акцепторный уровень в полупроводнике с переходом p-типа. Под действием электрического поля, создаваемого источником электрической энергии, подключенного к диоду в прямом направлении, электроны проводимости из n-области
инжектируются в область p-n-перехода. Дырки из p-области также
инжектируются в область p-n-перехода, в которой происходит их рекомбинация. Электроны из зоны проводимости переходят в валентную зону. При этом возникают фотоны, имеющие энергию, равную
ширине запретной зоны. Световое излучение распространяется
в плоскости p-n-перехода. Отражаясь от отполированных граней
кристалла и многократно проходя от одной грани до другой, оно
становится монохроматичным и когерентным. Причем при определенном уровне светового потока начинается процесс сверхлюминесценции и увеличения яркости излучения, переход к которому происходит при значении плотности электрического тока больше минимального значения, характеризующего момент возникновения
генерации лазерного излучения.
Поэтому для инжекционного полупроводникового лазера важно
поддержание требуемого значения электрического тока и малые изменения его при изменении внешних условий (рис. 2.10).
Лазерная генерация начинается, когда инжекционный ток достигает некоторого порогового значения, которое растет с повышением температуры. При дальнейшем увеличении инжекционного
тока выходная мощность быстро возрастает.
При данном инжекционном токе выходная мощность лазера быстро увеличивается с понижением
температуры.
Длина волны излучения диодного лазера определяется в основном шириной запрещенной зоны
полупроводникового материала,
но зависит также от температуры
перехода и плотности инжекционного тока.
Пример полупроводникового
терапевтического лазерного приРис. 2.10. Малогабаритные
бора АЛТП-2 с обозначениями пеинжекционные импульсные
реключателей и элементов индилазеры со встроенным
управлением
кации представлен на рис. 2.11.
57
¡Æ½ÁùËÇÉ
ƹÈÉØ¿¾ÆÁØ
ʾËÁ
šÄÇÃÈÁ˹ÆÁØ
§ÈËÁоÊùØ
ƹʹ½Ã¹
£ÇÆËÉÇÄÕÆÔÂ
ÍÇËǽÁǽ
§ÈËÁоÊÃÁÂ
ÊǾ½ÁÆÁ˾ÄÕ
£ÆÇÈù
¨¾É¾ÃÄ×й˾ÄÕ
ÅÇÒÆÇÊËÁ
ÁÀÄÌоÆÁØ
ƹÃĹÀ¾ÉÆÇÂ
ÇȹÊÆÇÊËÁ
©ÇÀ¾ËÃÁ
½ÄØÒÌÈÇ»
¤¹À¾ÉÆǾÁÀÄÌоÆÁ¾
§ÈËÁоÊùØƹʹ½Ã¹
¡Æ½ÁùËÇÉÁÀÄÌоÆÁØ
¨ÇÄÇ¿¾ÆÁ¾„."9”
¨ÇÄÇ¿¾ÆÁ¾„.*/”
²ÌÈ
©¹ÀÓ¾ÅÒÌȹ
£¹º¾ÄÕ
Рис. 2.11. Лазерный аппарат АЛТП-2
Технические данные:
Максимальная мощность лазерного излучения
при поставке, мВт 2
Потребляемая мощность, Вт, не более 6
Время непрерывной работы при импульсной
модуляции, ч, не менее 3
Мощность лазерного излучения регулируется ступенчато и имеет два значения: максимальное и минимальное – не более 0,5 от
максимальной мощности.
Режим работы: непрерывный и модулированный прямоугольными импульсами со скважностью 2 и частотой повторения 2 и 128 Гц.
Полупроводниковые лазеры (ППЛ) занимают особое место среди аппаратуры ЛТ в силу своих конструктивных особенностей и
физических принципов работы. Небольшие размеры лазера определяются высоким КПД и необходимостью обеспечения высокой
плотности тока накачки для достижения инверсной заселенности.
У полупроводниковых лазеров накачка осуществляется небольшим
58
током (десятки мА) при приложении напряжения около 2–3 В, тогда как у других типов лазеров требуются тысячи вольт. Необходимо заметить, что мы имеем в виду исключительно инжекционные
полупроводниковые лазеры, накачиваемые прямым током, проходящим через диодную структуру (laser diode). Недостатком ППЛ
является большая расходимость излучения, что ограничивает его
применение в других областях, кроме лазерной терапии. ППЛ работают в диапазоне длин волн λ от 0,63 до 15 мкм. Самое широкое
распространение, как в терапии, так и в хирургии получили лазеры
в ближней инфракрасной (ИК) области (λ = 0,78 – 0,93 мкм) на основе кристалла Ga1-xAlxAs. В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазеры на основе AlGaInP
(λ = 0,633 – 0,64 мкм), заменяющие традиционные He-Ne. Лазеры
с длиной волны 0,67 мкм и средней мощностью до 10 Вт применяются также успешно и для фотодинамической терапии (ФДТ). Сообщается о начале производства зеленых (λ =0,53 мкм) и голубых
(λ = 0,42 мкм) полупроводниковых лазеров на основе Zn1-xCdxSe, мощностью несколько милливатт и наработкой на отказ до 1000 часов.
2.3. Лечебное применение лазерного излучения
Клинически доказано, что лазерная терапия обладает:
– противовоспалительным;
– обезболивающим;
– противоаллергическим;
– антимикробным и антивирусным действием;
– благотворно влияет на общий и местный иммунитет;
– уменьшает вязкость крови;
– приводит к снижению холестерина;
– усиливает кровоснабжение и лимфоотток.
В различных спектральных диапазонах свет обладает специфическим действием на биологический объект. Свет в видимой области спектра преимущественно поглощается хроматофорными группами белковых молекул и отчасти кислородом. Наиболее важная
роль здесь принадлежит гемоглобину, меланину и ряду ферментов.
В ближней инфракрасной области свет преимущественно поглощается молекулами белка и кислородом.
Наиболее широкое применение в лазерной терапии получили лазеры красного (длина волны излучения 632 нм) и ближнего инфракрасного (длина волны излучения 760–1200 нм) спектральных диапазонов.
59
Терапевтический лазер оказывает действие, не повреждающее
биосистему, но, в то же время, энергии лазера достаточно для активации процессов жизнедеятельности организма. При поглощении тканями организма лазерного излучения уже на глубине 250–
300 мкм его когерентность и поляризация исчезают. В этой области
имеются резкие максимумы интенсивности, особенно при непрерывном режиме излучения. Далее в глубину тканей распространяется поток монохроматичекого излучения, он производит фотобиоактивацию [1, 2]. Проще говоря, это – биостимуляция.
Передача световой энергии внутренним средам организма – своеобразный «энергетический толчок», благодаря которому активизируются процессы саморегуляции; больные клетки восстанавливают свою
жизнедеятельность, а значит, мобилизуются собственные силы организма. Лазерное излучение низкой интенсивности положительно воздействует на микроциркуляцию, стимулирует расширение капилляров. Это улучшает питание тканей, повышает усвоение тканями кислорода, что, в свою очередь, ведет к ускорению процессов заживления.
Поглощая энергию кванта лазерного излучения, электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни, в результате чего наступает электронное возбуждение биомолекул, повышающее их реакционную способность, т.е. позволяет им активно
участвовать в разнообразных процессах клеточного метаболизма
(обмена веществ). Возвращение электронов в исходное состояние сопровождается испусканием в части случаев квантов, возбуждающих соседние биомолекулы (феномен переизлучения). За счет этого
в красном и ближнем инфракрасном диапазоне увеличивается проникающая способность. Миграция энергии лазерного возбуждения
биомолекул может осуществляться и путем безызлучательного обмена между электронно-возбужденными молекулами (фотодонорами) и молекулами, находящимися в основном состоянии (фотоакцепторами). Перенос энергии в биомолекулярных комплексах осуществляется индуктивно-резонансным и обменно-резонансным путями. Одновременный перенос энергии фотонов и заряда возможен
при помощи зонного и экситонного1 механизмов.
Воздействие лазерного излучения на ткани реализуется чаще всего на клеточных мембранах, что приводит к изменению их
физико-химических свойств (поверхностного заряда, диэлектрической проницаемости, вязкости, подвижности макромолекулярных
1 Экситон – нейтральная квазичастица в полупроводниках, представляющая
собой энергетически связанное состояние электрона и дырки.
60
комплексов), а также их
основных функций (механической, барьерной,
матричной).
Наряду с местными
реакциями облученных
поверхностей, формируются рефлекторные реакции внутренних органов и окружающих зону
воздействия тканей. Лазерное облучение вызыРис. 2.12. Лазерное облучение крови
вает генерализованные
реакции целостностного
организма (активацию желез внутренней секреции, процесса кроветворения, репаративных1 процессов в нервной, мышечной и костной тканях).
Существует мнение, что кровь является жидкостно-кристаллической средой, в которой свет индуцирует многообразные энергетические процессы. Монохроматический красный свет действует
на кровь и органы кроветворения как прямым, так и косвенным
путем. В первом случае красный свет, поглощаясь порфиринами2,
может вызвать распад старых эритроцитов. Косвенное действие
на кроветворение происходит за счет активации деятельности эндокринных желез, прежде всего гипофиза и щитовидной железы,
которые имеют непосредственное отношение к регуляции функции
кроветворения.
Установлено влияние лазерного излучения (ЛИ) на периферическое кровообращение. В частности, доказано его действие на развитие коллатерального3 кровообращения. В результате повышается
до необходимого уровня кислородное снабжение тканей. Рост активности кислородного метаболизма способствует усилению энергетических и пластических процессов в клетке (рис. 2.12).
1 Репарация в биологии – особая функция клетки, способность исправлять
химические повреждения в молекулах ДНК, т.е. препятствовать появлению мутаций.
2 Порфирин – один из широко распространенных в клетках пигментов, возникающих из порфина. Порфин (Porphin) сложная азотсодержащая кольцевая структура, из которой образуются порфирины.
3 Коллатерали – боковые, окольные пути тока крови в обход артерии, вены. Существуют в лимфатической системе.
61
При лазерном облучении крови (ЛОК) активизируются ферментные системы эритроцитов, что приводит к увеличению кислородной
емкости крови.
К лазерному облучению наиболее чувствительны ядерный аппарат клеток и внутриклеточные мембранные системы, активация
которых стимулирует дифференцировку и функциональную активность облученных форменных элементов крови. Снижение скорости агрегации тромбоцитов и содержания фибриногена1 сочетается
здесь с нарастанием уровня свободного гепарина2 и фибринолитической активности сыворотки крови.
Указанные процессы приводят к существенному замедлению
скорости тромбообразования. Поскольку одним из важных факторов воспаления является микротромбоз, следует отметить и тромболитическое действие лазера малой мощности. Оно связано как
с усилением кровотока, смыванием тромботических масс, так и
с активизацией противосвертывающей системы.
При инвазивном облучении циркулирующей крови доза облучения может составлять 3,5 Дж/см2, для чего при выходной мощности
на торце световода, равной 2 мВт, внутривенное облучение осуществляют в течение 30 мин.
Обобщив рассмотренный биологический механизм воздействия ЛИ
на клетки и ткани организма, сформулируем лечебно-стимулирующий
эффект лазеротерапии, который выражается в следующем:
1) противовоспалительное действие;
2) трофикостимулирующее и дедистрофическое влияние, связанное с усилением кислородного метаболизма, ростом уровня АТФ
в клетке и повышением активности всех окислительно-восстановительных ферментов;
3) бактерицидное и бактериостатическое действие;
4) противоотечное действие (в начале облучения наблюдаем увеличение просвета сосудов, в конце – сужение сосудов);
5) стимуляция митоза клеток, т. е. скорости заживления ран;
6) влияние на гемопоэз (увеличивается количество эритроцитов,
гемоглобина, уменьшается СОЭ);
1 Фибриноген – белок, растворенный в плазме крови и превращающийся при
ее свертываемости в нерастворимый фибрин. Фибрин при свертываемости крови
выпадает в виде клубка нитей и образует основу тромба, закупоривающего просвет сосуда.
2 Гепарин – вещество препятствующее свертыванию крови; впервые выделено
из печени; содержится также в тканях легких, кишечника, почек и мышц.
62
7) тромболитическое действие за счет ускорения кровотока, смывания тромботических масс и активации противосвертывающей
системы;
8) активизация функций нейроэндокринной системы, стимуляция гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы;
9) активация функции Т- и В-лимфоцитов;
10) обезболивающее действие, хотя и не столь яркое, как у многих других физических факторов, связанное со снижением чувствительности нервных окончаний (рецепторов боли) в результате
ликвидации тканевого отека и за счет усиления продукции эндорфинов1 и энкефалинов2 в структурах периферической нервной системы;
11) снижение микробной обсемененности ран под воздействием
ЛИ, объясняемое рядом факторов: улучшением регионального кровотока в области патологического очага, усилением хемотаксиса3
лейкоцитов в зону воспаления и активизацией ферментов, которые
губительно действуют на микробы.
Помимо данных эффектов применения ЛИ при многих заболеваниях наблюдается стимуляция естественной резистентности
организма (фагоцитоз4, лизоцимная5 активность и др.), а также
десенсибилизирующее6 действие. Эффект проявляется на всех уровнях организации живой материи: на субклеточном, клеточном, тканевом, органном и системном (рис. 2.13).
1 Эндорфины (эндогенные + морфины) – группа полипептидных химических соединений, по структуре сходных с опиатами (морфиноподобными соединениями),
которые естественным путем вырабатываются в нейронах головного мозга и обладают способностью уменьшать боль, аналогично опиатам, и влиять на эмоциональное состояние. Эндорфины образуются из вырабатываемого гипофизом вещества –
беталипотрофина (beta-lipotrophin); считается, что они контролируют деятельность
эндокринных желез в организме человека.
2 Энкефалины – нейропептиды, обладающие морфиноподобным действием. Энкефалины образуются в центральной нервной системе позвоночных, оказывают болеутоляющий и успокаивающий эффект, участвуют в формировании эмоциональных состояний.
3 Хемотаксис – движение подвижных микроорганизмов, а также отдельных
клеток.
4 Фагоциты – клетки, способные захватывать и переваривать посторонние тела,
в частности микробы.
5 Лизоцим – белковое вещество, способное вызвать растворение некоторых микроорганизмов. Обнаружен в слезах, слюне, слизистых оболочках и т. п.
6 Десенсибилизация – уменьшение или устранение повышенной чувствительности организма к воздействию какого-то вещества.
63
¨Ç¼ÄÇÒ¾ÆÁ¾
ÖƾɼÁÁÍÇËÇƹ
Iν
»ÆÌËÉÁÃľ
ËÇÐÆÔÅÁ
ÃÇÅÈÇƾÆ˹ÅÁ
¦¹ÉÌѾÆÁ¾Ë¾É
ÅǽÁƹÅÁоÊÃǼÇ
ɹ»ÆÇ»¾ÊÁØ
ÄÇùÄÕÆÔÂ
ƹ¼É¾»
¤ÇùÄÕÆǾ
ÁÀžƾÆÁ¾
ÃÇÆϾÆËɹÏÁÁ
$B
›ÇÀÆÁÃÆÇ»¾ÆÁ¾
¹»ËÇÃÇľº¹ÆÁÂ
ÃÇÆϾÆËɹÏÁÁ$B
ÁɹÊÈÉÇÊËɹƾÆÁ¾
»ÇÄÆ»ÏÁËÇÀÇľ
Á»ËùÆØÎ
ªËÁÅÌÄØÏÁØ$BÀ¹»ÁÊÁÅÔÎ
ÈÉÇϾÊÊÇ»
sÌÊÁľÆÁ¾ÊÁÆ˾À¹¦£Á©¦£
sÌ»¾ÄÁоÆÁ¾É¾½ÇÃÊÈÇ˾ÆÏÁ¹Ä¹
ÅÁËÇÎÇƽÉÁÂÌ»¾ÄÁоÊÆÁ¾ÊÁÆ˾À¹
ÁƹÃÇÈľÆÁؙ«­
s»ÔʻǺǿ½¾ÆÁ¾/0
s»ÔʻǺǿ½¾ÆÁ¾¹ÃËÁ»ÆÔÎÍÇÉÅ
ÃÁÊÄÇÉǽ¹
sÁÀžƾÆÁ¾»ÆÌËÉÁÃľËÇÐÆǼÇÇËÃÄÁù
ƹ½¾ÂÊË»Á¾¼ÇÉÅÇÆÇ»
sÃÇÆËÉÇÄÕÖÃÀÇÏÁËÇÀ¹
sÈǽ½¾É¿¹ÆÁ¾ÌÉǻƾÂ$B»¹Èȹɹ˾
œÇÄÕ½¿ÁÀ¹ÊоËɹºÇËÔ$B™«­¹ÀÔ
Ø»ÄؾËÊØɾѹ×ÒÁŻɾ¼ÌÄØÏÁÁ
ʾÃɾÏÁÁÁÃľËÇÐÆÔÎÃÇÆ˹ÃËÇ»
›ÄÁØÆÁ¾Æ¹ÍÁÀÁÇÄǼÁоÊÃÁ¾
ÈÉÇϾÊÊÔƹÌÉǻƾÇɼ¹ÆÁÀŹ
¥ÁÃÉÇÏÁÉÃÌÄØÏÁØ
›ÇÊȹÄÁ˾ÄÕÆÔ¾ÈÉÇϾÊÊÔ
¦¾ÂÉǼÌÅÇɹÄÕÆǾɾ¼ÌÄÁÉÇ»¹ÆÁ¾
©¾È¹É¹ËÁ»ÆÔ¾ÈÉÇϾÊÊÔ
¡ÅÌÆƹØÊÁÊ˾Ź
¶Æ½ÇÃÉÁÆƹØÊÁÊ˾Ź
ªÈ¹ÀÅÇÄÁËÁоÊÃǾ½¾ÂÊË»Á
Рис. 2.13. Последовательность развития биологических эффектов
от лазерного воздействия
Все лечебно-стимулирующие эффекты развиваются постепенно
и требуют накопления доз в течение 5—15 процедур.
Врачи-терапевты коротко определяют лечебные эффекты:
противовоспалительный, репаративно-регенеративный1, гипоальгезивный2, иммуностимулирующий, катаболический3, бактерицидный.
Показания. Заболевания и повреждения костно-мышечной
и периферической нервной системы, заболевания сердечнососудистой, дыхательной, пищеварительной систем, заболевания
дыхательной, пищеварительной систем, заболевания мочеполовой системы, повреждения и заболевания кожи, заболевания
1 Регенерация – восстановление организмом утраченных или поврежденных органов и тканей.
2 Гипо… – приставка, указывающая на понижение против нормы.
3 Катаболизм – совокупность реакций обмена веществ в организме, заключающийся в распаде сложных органических веществ (против. анаболизм).
64
ЛОР-органов, иммунодефицитные состояния, диабетические ангиопатии1.
Параметры. Для лазеротерапии чаще всего используют опическое излучение красного (λ= 0,632 мкм) и инфракрасного (λ =
= 0,8÷1,2 мкм) диапазонов, генерируемое в непрерывном или импульсном режимах. Частота следования импульсов составляет
10–5000 Гц. Выходная мощность достигает 60 мВт. Для лечебного
воздействия используют преимущественно низкоинтенсивное лазерное излучение с плотностью потока энергии от 1 до 30 мВт · см–2
(нижняя граница теплового эффекта составляет 0,5 Вт · см–2).
Биостимулирующие уровни излучения лежат в пределах
10÷100 мВт/см2, а улучшающие микроциркуляцию, противовоспалительные и анальгезирующие —100÷200 мВт/см2.
Клиническими наблюдениями установлено, что при дозе облучения, равной 0,5 Дж/см2, наиболее отчетливо проявляется стимуляция репаративных процессов в поврежденных тканях. При дозе
облучения 1–2 Дж/см2 проявляется обезболивающее, седативное
действие, стимулируется микроциркуляция. При дозе облучения
2–3 Дж/см2 выражено противовоспалительное действие. Дозу, равную 4 Дж/см2 и более на одно поле (патологический очаг), применять не рекомендуется.
Более сложно дозирование импульсного инфракрасного излучения, лечебные эффекты которого зависят не только от средней
мощности и времени облучения, но и от импульсной мощности и
частоты следования импульсов. Низкие частоты следования импульсов (1–50 Гц) оказывают стимулирующее влияние на репаративные процессы и функцию клеток (желез внутренней и внешней
секреции и др.); частоты 100–150 Гц производят обезболивающее и
стимулирующее действие; частоты 1000–3000 Гц обладают выраженным противовоспалительным эффектом. Лазерное излучение
частоты свыше 1000 Гц, по-видимому, воспринимается биотканью
как непрерывное.
2.4. Методики лечения в лазерной терапии
В клинической практике используют воздействие лазерным излучением на очаг поражения и расположенные рядом ткани, рефлексогенные и сегментарно-метамерные зоны (расфокусированным
1 Ангио… – первая составляющая часть сложных слов, соответствующая по значению словам «сосуд», «сосудистая система».
65
лучом), а также на место проекции пораженного органа, задних корешков двигательных нервов и биологически активных точек (лазеропунктура).
В зависимости от техники облучения выделяют стабильную
и лабильную методики лазеротерапии. Стабильная методика осуществляется без перемещения излучателя, который находится
в фиксированном (может быть контактном) положении в течение
всей процедуры. При лабильной методике излучатель произвольно
перемещают по полям, на которые делят облучаемую зону. В течение одной процедуры облучают 3–5 полей, а их общая площадь не
должна превышать 400 см2. В другом варианте излучатель медленно перемещают по спирали к центру с захватом здоровых участков
кожи на 3–5 см по периметру патологического очага (сканирование
лазерным лучом). Как стабильная, так и лабильная методика может быть контактной либо дистантной. При дистантном воздействии зазор между излучателем и телом больного составляет не более 25–30 мм, а при контактном излучатель устанавливают непосредственно на кожу или слизистые оболочки больного. При проведении лечения лазерное излучение направляют перпендикулярно
поверхности кожи в проекции кубитальной вены или подключичной артерии (рис. 2.14).
Сочетание методик терапии позволяет расширить технику воздействия на ткани:
1) лазерная аппликация (контактно или с зазором 1÷8 см, но не
более, во избежание рассеивания и отражения);
Рис. 2.14. Лазерное облучение трофической язвы голени
66
2) воздействие на биологически активные точки (до 30 точек за
1 сеанс);
3) воздействие на поле (от 2 до 25 полей за 1 сеанс, общая продолжительность процедуры 25÷30 мин.);
4) сканирующая методика.
Излучение от гелий-неоновых лазеров подводят к облучаемому
объекту при помощи зеркального отражателя-рассеивателя (рис. 2.19
и 2.20) или световода, а от полупроводниковых инфракрасных лазеров при помощи световодов, выносных излучающих головок и разнообразных оптических насадок, которые устанавливаются на открытые излучающие головки. Облучение проводят дистанционно или
контактно, по стабильной либо лабильной (сканирующей) методике.
На кожные покровы воздействуют гелий-неоновым лазером дистанционно, с расстояния 10–50 см, при этом плотность потока мощности регулируют диаметром светового пятна. Одну и ту же область
(зону) можно облучать по стабильной или лабильной методике воздействия. При стабильной методике область предполагаемого облучения делится на участки, и луч лазера после положенного времени воздействия переносят с одного участка на соседний, при этом
время воздействия повторяют. При лабильной методике луч лазера
в течение всей процедуры перемещают по зоне воздействия вручную или сканирующим устройством.
При воздействии на кожные покровы полупроводниковым лазером стабильную методику применяют на точки акупунктуры или
на мелкие суставы, в других случаях используют лабильную методику. При этом, как правило, воздействие оказывают контактным
методом, излучающую головку медленно, круговыми движениями
перемещают по всей зоне, подлежащей облучению. Дистанционное
воздействие проводят с помощью сканирующих устройств.
Облучение слизистых оболочек полости носа, придаточных пазух носа, полости рта, влагалища, прямой кишки проводят при помощи световодов и различных оптических насадок.
Расчет дозы воздействия для красного непрерывного диапазона
лазерного излучения ведется по стандартной формуле
W = Pср/S;
E = W × Т,
(2.7)
где Pср – средняя мощность (Вт); T – экспозиция (с); S – площадь облучаемой поверхности (см2); W – интенсивность (Вт/см2); E – доза
(Вт/см2 · с или Дж/см2).
67
Расчет дозы для инфракрасных импульсных лазеров также проводится по стандартным формулам:
Рср = Римп × Fп × τи; W = Pср/S; E = W × Т,
(2.8)
где Pимп – импульсная мощность (Вт); τи – длительность импульса (с); Fп – частота повторения импульсов (Гц).
Усиления клинической эффективности лазерного воздействия
достигают при его сочетании с постоянным магнитным полем
(магнитолазерная терапия). При одновременном применении лазерного излучения и постоянного магнитного поля энергия квантов нарушает слабые электролитические связи между ионами и
молекулами воды, а магнитное поле способствует этой диссоциации и одновременно препятствует рекомбинации ионов (фотомагнитоэлектрический эффект Кикоина – Носкова) [1]. Кроме
того, в постоянном магнитном поле молекулярные диполи строго ориентированы вдоль его силовых линий. А поскольку вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно световому
потоку (магнит расположен по периметру облучаемого участка),
то основная масса диполей располагается вдоль него. Это существенно увеличивает проникающую способность лазерного излучения (до 70 мм), уменьшает коэффициент отражения на границе
раздела тканей и обеспечивает максимальное поглощение лазерного излучения. Указанные особенности существенно повышают
терапевтическую эффективность магнитолазерного воздействия
на патологический процесс. В дальнейшем при описании техники построения лазерных систем будут показаны магнитные
насадки, предназначенные для проведения магнитолазерной терапии.
Рассмотрим также для примера еще и некоторые частные методики лазерной терапии.
Кариес зубов. Лазерное облучение применяется для активизации
ферментативной системы пульпы при лечении начального, среднего и глубокого кариеса. После препарирования кариозной полости
в нее вводится дистальный конец насадки лазерной системы и проводится лазерное облучение.
Параметры облучения: выходная мощность лазера – 2÷5 мВт
(излучение непрерывное или модулированное частотой 50–100 Гц);
время экспозиции 30÷60 с на полость.
При проведении профилактики кариеса лазерное облучение может применяться как самостоятельно, так и в комплексе с примене68
нием специальных лекарств. При этом эффективность суммарных
средств профилактики кариеса достоверно повышается на 60,40
и 30% соответственно.
Пульпит. При лечении пульпита биологическим методом проводится облучение кариозной полости направленно к пульпе зуба
специальной насадкой, но только после препарирования кариозной
полости.
Параметры облучения пульпы: выходная мощность лазера 2÷5 мВт
(излучение непрерывное или модулированное частотой 50–100 Гц);
время экспозиции – 30÷60 с на полость. Повторные сеансы проводятся через 24 ч после удаления временной пломбы и препарата гидроокиси кальция. Курс лечения – 2–3 процедуры. При благоприятном результате лечения осуществляют окончательное пломбирование кариозной полости зуба.
При проведении стоматологического лечения используются стоматологические насадки специальной формы, пример которых будет показан в подразд. 2.4 (см. рис. 2.18).
Простой герпес. Лазерную терапию применяют на любой стадии
патологического процесса. Наибольший эффект воздействия получают на ранней стадии проявления патологического процесса, при
наличии лишь зуда или жжения и отсутствии других элементов
герпетического процесса.
Параметры облучения: плотность мощности 100÷200 мВт/см2;
удельная доза – 10÷18 Дж/см2, что соответствует облучению лазером мощностью 30 мВт, при расстоянии от излучающего конца насадки до поверхности патологического очага 0,5 см с экспозицией
30÷60 с на одно поле (диаметр пятна излучения на облучаемой поверхности – 2,5 мм).
Излучение может быть модулировано частотой 50–100 Гц, при этом
время экспозиции на одно поле необходимо увеличить до 1–2 мин.
Суммарное время облучения за сеанс – не более 10 мин. Курс лечения – до 7 процедур.
Травмы слизистой оболочки полости рта. Для лечения травм,
возникающих в результате воздействия на слизистую оболочку различных факторов, в том числе химических и термических ожогов,
механических повреждений и т. п. используют противовоспалительное и стимулирующее регенерацию действие лазерного излучения. После антисептической обработки раны проводят облучение
очага поражения, охватывая, в том числе здоровые ткани в пределах 0,5 см от края раны.
69
При проведении физиотерапии необходимо оценивать ответные
реакции организма. Адаптационные реакции, формируемые организмом в ответ на курсовое лечебное лазерное воздействие индивидуальны для каждого пациента. Степень и скорость реакции адаптационных систем организма на лазерное воздействие определяется исходным состоянием нервной и сердечно-сосудистой системы, а также
исходной реактивностью вегетативной нервной системы, определяющей скорость и качество ответа на физическое воздействие.
На фоне проведения терапии в период развития фазы возбуждения нервной системы проявляется реакция сердечно-сосудистой системы, а именно, значительно увеличивается амплитуда пульсовой
волны, свидетельствующая об увеличении минутного объема крови
и в меньшей степени увеличивается индекс дикротической волны,
указывающий на увеличение тонуса сосудов. Уменьшается индекс
восходящей волны, свидетельствующий об уменьшении длительности нагнетания крови в период систолы. В период развития тормозных реакций значения перечисленных параметры уменьшаются.
Для контроля реакции организма желательно предусмотреть
в аппаратуре специальные диагностические устройства. Метод
пальцевой фотоплетизмографии является высокочувствительным
методом объективизации динамического контроля эффективности
курса лечения, позволяющим по характеру и степени изменения
в ее ходе гемодинамических показателей определять типы реакции
адаптационных систем организма на лазерное воздействие, что позволяет выбирать оптимальные дозовые нагрузки и избегать развития отрицательных реакций при проведении лазеротерапии. Противопоказаниями к лазерной терапии являются злокачественные новообразования (кроме специальной методики лечения –
фотодинамической терапии), доброкачественные новообразования
со склонностью к прогрессированию, легочно-сердечная и сердечнососудистая патология в стадии декомпенсации, сахарный диабет
в стадии декомпенсации, тиреотоксикоз1, активный туберкулез,
лихорадочное состояние, заболевания нервной системы с резко повышенной возбудимостью, индивидуальная непереносимость фактора. В комплексной терапии необходимо назначение антиоксидантов2 («Аевит» и др.) [2].
Фотодинамическая терапия. Фотодинамическая терапия –
применение лазерного излучения для лечения онкологических
1
2
70
Тирео… – щитовидная.
Антиоксиданты – вещества, задерживающие окисление органических веществ.
больных. Метод основан на избирательном поглощении излучения
опухолевыми клетками, в которые введен парафиновый краситель. При облучении опухолевые клетки гибнут в результате специальных биохимических реакций и стимулируется регенерация
тканей.
Для фотодинамической терапии используют электромагнитные
волны оптического диапазона (λ = 0,632÷0,73 мкм). Летальная доза квантов, вызывающая гибель опухолевых клеток, составляет порядка 2 · 1016 квантов· см–3 и может быть достигнута при мощности
излучения в импульсе 1–5 Вт. Частота следования импульсов составляет 10÷50 Гц. Лечебное воздействие осуществляют дистантно. При внутриполостном облучении световоды располагают контактно. При значительной площади проекции опухоли осуществляют сканирование лазерным лучом.
Продолжительность процедур определяется видом и стадией
развития опухолевого процесса и не превышает 30 мин. Процедуры
проводят ежедневно или через день, на курс 10–20 процедур. При
необходимости курс повторяют через 3–4 месяца.
Правила техники безопасности:
– лазерная установка должна быть заземлена и максимально
экранирована;
– лазер должен быть установлен в отдельном помещении, на дверях которого должен быть указатель, предупреждающий о работе
лазерной аппаратуры;
– запрещается иметь в одной комнате с лазерной установкой огнеопасные жидкости и газы; в помещение, где функционирует лазерная установка, должен быть ограничен доступ лиц, не имеющих
отношения к работе с лазером;
– глаза медицинского персонала и пациентов должны быть защищены специальными очками с поглощающими или (и) отражающими стеклами;
– к работе с лазерами допускаются лица, достигшие восемнадцатилетнего возраста.
2.5. Особенности техники лазеротерапии
Для лучшего представления о механизмах лечебного воздействия на биологические объекты лазерного излучения и экспозиции
воздействия рассмотрим особенности аппаратов лазерной терапии
(АЛТ).
71
Аппараты, применяемые в медицине, кроме самих лазеров содержат также: устройство для модуляции мощности излучения непрерывных лазеров или задающий генератор для импульсных лазеров;
таймер, задающий время работы; индикатор или измеритель мощности излучения (фотометр); инструмент для подведения излучения к объекту (световоды) и др.
Среди основных требований, предъявляемых к медицинской лазерной технике, можно выделить следующие [3]:
– высокая надежность работы и удобство ее эксплуатации;
– универсальность;
– совмещение в одной установке источников с различными длинами волн и режимами работ, обеспечение точного подбора частоты
и режима интенсивности излучения;
– автоматическое и программное управление режимами работы
на основе использования микропроцессорной техники;
– использование методов фотометрического контроля;
– обеспечения автономности питания, системы охлаждения, автоматизированной проверки готовности к работе.
Как уже говорилось, в клинической практике в настоящее
время нашли применение лазеры различных конструкций и модификаций. Из них наиболее часто используют газовые гелийнеоновые лазеры, твердотельные, полупроводниковые низкоинтенсивные лазеры. Они работают как в непрерывном, так и импульсном режимах лазерного излучения. При этом недостатком
гелий-неоновых лазеров является высокая стоимость и громоздкость.
Для получения требуемого значения электрического тока в лазерном аппарате используют электронные стабилизаторы электрического тока. Их выполняют на основе схем, обеспечивающих получение высоких выходных сопротивлений у электронных функциональных узлов, к которым подключаются полупроводниковый
лазер, работающий в режиме непрерывного или импульсного излучения (рис. 2.15).
Поскольку лазерные диоды включают в прямом направлении,
их сопротивление сравнительно невелико, поэтому их чаще всего
помещают в цепь коллектора биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером или базой, или в цепь стока полевых транзисторов.
В схеме на рис. 2.15 источник питания лазера выполнен на составном транзисторе VT1 и VT2.
72
&O
¤¹À¾ÉÆÔÂ
ÁÀÄÌй˾ÄÕ
&
75
75
3
3
Рис. 2.15. включение лазерного диода в коллекторную цепь
&O
¤¹À¾ÉÆÔÂ
ÁÀÄÌй˾ÄÕ
&
75
3
3
3
75
3
3
3
%"
Рис. 2.16. Электрическая схема источника питания
лазерного излучателя повышенной точности
Для повышения точности работы источника тока в него может
быть введена отрицательная обратная связь (рис. 2.16).
В этой схеме ООС по току замыкается через операционный усилитель DA1. При этом осуществляется сравнение тока от источни73
ка питания Еп, проходящего через лазерный излучатель, с током от
источника Е1.
Лазерное излучение прикладывается к облучаемой зоне непосредственно (лазерный излучатель обычно размещается в выносной головке – насадке) или через гибкий световод, выполненный
на основе волоконной оптики. Такой способ используют чаще всего для облучения областей тела, на которые нельзя или неудобно
воздействовать непосредственно лазерным излучателем. Примеры
некоторых световодов приведены на рис. 2.17 [7].
Гибкие световоды соединяются с лазерными излучателями с помощью оптического разъема. Это – механическая конструкция,
обеспечивающая правильное размещение друг относительно друга
излучающей и приемной частей.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2.17. Волоконно-оптические световоды: а – с прямым выходом
излучения; б – с цилиндрическим диффузором (длина рассеивающей
части 5, 10, 20, 30, 40 мм) для внутритканевых и эндоскопических
операций; в – с микролинзой для расфокусировки излучения
для эндоскопических и внутриполостных процедур; г – с линзой
для наружного облучения биоткани контактным
или бесконтактным способом
74
Оптические разъемы могут стыковать между собой несколько
гибких световодов, что позволяет наращивать их до заданной длины.
В ряде случаев световоды вводят в кровеносные сосуды. Излучение,
исходящее из их торца, позволяет проводить облучение крови, движущейся в сосуде без ее забора и обратного введения в организм.
Излучающие головки подключаются к базовому блоку напрямую или через разветвитель. Состоят из одного или нескольких полупроводниковых лазеров (реже используют светодиоды) и электронной схемы управления, которая задает ток накачки лазера,
а также обеспечивает адаптацию головки к унифицированному питанию от блока. Иногда электронная схема обеспечивает выполнение и других функций. Необходимо отметить, что именно полупроводниковые лазеры позволили создать систему выносных излучающих головок и реализовать в полной мере блочный принцип построения современной аппаратуры для низкоинтенсивной лазерной
терапии.
Для лучшего понимания излагаемого материала на рис. 2.18 показаны лазерные насадки, применяемые в стоматологии, там же показано переходное устройство, необходимое для их подключения.
а)
ª
б)
ª
в)
г)
ª
Рис. 2.18. Комплект стоматологических насадок аппарата Матрикс:
а – С-1-1; б – С-1-2; в – С-1-3; г – переходное устройство
75
Для проведения магнитолазерной терапии предназначены магнитные насадки. Применяемые в настоящее время магниты конструктивно выполнены таким образом, что магнитное поле максимально вытянуто в сторону воздействия. Чаще всего используют
зеркальный магнит 50 мТл – ЗМ-50 (рис. 2.19).
Зеркальные насадки (рис. 2.20) предназначены для зеркальноконтактного способа воздействия. Они многофункциональны: увеличивают глубину и интенсивность терапевтического воздействия, обеспечивают стабильность и воспроизводимость процедуры, обеспечивают гигиеничность процедуры, позволяют проще рассчитывать дозу, так как
эффективная площадь воздействия принимается равной 1 см2.
Матричные излучатели составляют особый класс головок и автономных аппаратов (рис. 2.21). Из насадок с ними применяют только специальные магнитные (ММ-2, ММ-3).
Рис. 2.19. Зеркальный
магнит ЗМ-50
Рис. 2.20. Зеркальная
насадка ЗН-35
Рис. 2.21. Излучающие (лазерные светодиодные) головки
для аппарата Мустанг 2000
76
В медицинской практике наиболее
часто применяют матричные излучающие головки и автономные аппараты, содержащие 10 импульсных инфракрасных лазеров [11].
Лазерная излучающая головка
КЛ-ВЛОК-405 для аппарата лазерной
терапии (АЛТ) Матрикс, показанная
Рис. 2.22. Лазерная
на рис. 2.22, позволяет реализовать
излучающая
головка
самую эффективную и перспективную
для
внутривенного
лазерного
технологию внутривенного лазерного
облучения крови
облучения крови.
Дозирование воздействий осуществляют по плотности потока энергии лазерного излучения. Ее оценивают при помощи специ­альных измерителей мощности лазерного излучения. Величину плотности потока энергии рассчитывают
с учетом площади облучаемого участка по формулам 2.7 и 2.8.
При одной и той же выходной мощности лазерного аппарата
плотность потока мощности изменяется в зависимости от того, сфокусирован или расфокусирован луч красного лазера, что приводит
к изменению активности и глубины проявления лечебных эффектов. При диаметре светового пятна 1 см плотность потока мощности достигает 20 мВт/см2 и более. При этом оптимальное время облучения составляет 3–5 мин. Когда диаметр светового пятна равен
5 см, плотность потока мощности не превышает 1 мВт/см2, при этом
время облучения должно быть увеличено до 10–15 мин на зону воздействия.
2.6. Аппараты лазерной терапии
В настоящее время выпускаются десятки аппаратов лазерной
терапии (АЛТ): стационарные и переносные, многопрофильные
и узкоспециализированные, применяющие лазеры различных типов и их комбинации. В лечебной практике нашли применение
главным образом лазеры красного и инфракрасного спектров излучения. Лазеры красного спектра (0,63–0,69 мкм) применяются
для воздействия на слизистые оболочки, кожные покровы и ткани,
близко к ним прилежащие. Для воздействия на глубоколежащие
ткани и органы универсальным является инфракрасный диапазон
лазерного излучения (0,8–0,95 мкм). В рефлексотерапии применя77
ют лазеры красного (0,63–0,69 мкм) и инфракрасного (1,2–1,3 мкм)
спектра.
Излучение красного спектра генерируют гелий-неоновые лазеры
аппаратов УФЛ-01, Ягода, АФЛ, ЛЮЗАР, ФАЛМ, АДЕПТ, Алок-1
и Алок-2 (длина волны 0,63 мкм), а также полупроводниковые лазеры аппаратов Азор-2К и Мустанг (длина волны 0,65–0,68 мкм).
Все лазеры красного спектра излучения имеют небольшие значения выходной мощности (2–30 мВт) и генерируют непрерывное или
модулированно-прерывистое излучение, при этом мощность в импульсе не увеличивается.
Излучение инфракрасного спектра (длина волны 0,8–0,95 мкм
и 1,2–1,3 мкм) в непрерывном режиме генерируют полупроводниковые лазеры аппаратов Колокольчик, Млада, Изель, Мустанг, Азор-2К,
в импульсном режиме – Узор-2К, Милта, Рикта, Лита-1, ЭЛАТ, Мустанг, Азор-2К. При малой средней выходной мощности (5–10 мВт)
мощность в импульсе достигает у этих лазеров значений 6–12 Вт
и более. Частота следования импульсов у большинства аппаратов
составляет 1–3000 Гц.
Многие лазерные аппараты являются универсальными, так как
генерируют красный и инфракрасный спектры излучения в непрерывном и импульсном режимах (Мустанг, Азор-2К, Скаляр, АДЕПТ).
Излучатели многих лазерных аппаратов имеют кольцевые магнитные
Рис. 2.23. Лазеротерапевтические установки
на основе гелий-неонового лазера
78
насадки, которые создают постоянное магнитное поле с магнитной индукцией на поверхности насадки, равное 20–30 мТл (рис. 2.23).
Аппараты других спектров излучения (лазеры: азотный, аргоновый, гелий-кадмиевый, на парах меди) в настоящее время представлены экспериментальными образцами. Клинический опыт их применения еще недостаточен. К таким аппаратам относится лазерный
физиотерапевтический аппарат АТЛ-1 на твердотельных красителях, который генерирует лазерное излучение в частотном спектре
от желтого до инфракрасного (длина волны 0,55–1,05 мкм) при длительности импульса 25 мс, частоте следования импульсов 1–3 Гц,
энергии излучения 0,5 мДж в импульсе. По эффективности обезболивающего и противовоспалительного действия он превосходит все
прочие выпускаемые промышленностью лазерные аппараты видимого и инфракрасного спектров излучения.
В последнее время в клинике успешно применяют аппараты, сочетающие когерентное и некогерентное монохроматическое излучения, выполненные на основе лазеров и светодиодов – светооптические приборы Спектр и магнито-оптический лазерный аппарат
Изель-Виктория (рис. 2.24).
За рубежом используют лазеры Lem Scaner, Energy и другие.
Масс-габаритные показатели аппаратуры далеко не всегда имеют
решающее значение. Приоритетными чаще остаются характеристики, позволяющие в итоге получить наилучший лечебный эффект:
универсальность, возможность изменения и контроля параметров
излучения, простота управления и др. Проблема габаритов и веса
Рис. 2.24. Использование гелий-неонового лазера
в лечении заболеваний уха
79
аппарата остро стоит в том случае, когда требуется его систематическое перемещение.
В этой ситуации все преимущества у портативных аппаратов,
имеющих минимальные габариты и вес, работающих как от сети
(через адаптер), так и от батареи. В первом случае платой за минимальные размеры и вес является для врача потеря универсальности и, как следствие, ограничение возможностей применения
лазерной терапии, а во втором, – простота таких аппаратов даже
более целесообразна, так как позволяет не беспокоиться о неправильном его применении пациентом. В то же время и практикующему врачу иногда вполне может хватить возможностей портативных аппаратов. Автономные портативные аппараты лазерной терапии используют как матричные излучатели (АЛТ Муравей), так
и одиночные (АЛТ Мотылек, ОРИОН), имеющие то преимущество,
что позволяют работать с различными насадками (магнитными
и оптическими).
Для сравнения в табл. 2.2 приведены технические характеристики некоторых аппаратов лазерной терапии.
Для обоснованности применяемых методов лечения и правильной дозировки, а также для решения вопросов безопасности пациента и врача чрезвычайно важен контроль параметров лазерного излучения.
Контролировать необходимо следующие параметры.
1. Длина волны излучения. Этот параметр определяется типом
лазера и указывается в технической документации заводом- изготовителем. Дополнительная индикация не требуется.
2. Частота повторения импульсов излучения или частота
модуляции. Задается переключателем на панели базового блока (блока управления). Информация о точном значении частоты представляется либо цифровым индикатором в виде конкретных цифр, либо фиксацией дискретного переключателя
в нужном положении (необходимо заметить, что во втором случае каждая дискретная отметка обязательно должна содержать
информацию о конкретном значении и размерности параметра,
например, 80, 150, 300 Гц). Не допускается использовать отвлеченные величины типа: 1, 2, 3 с рекомендацией производителя
узнавать реальное значение параметра в паспорте или инструкции по эксплуатации. Кроме того, что это просто неудобно, значительно повышается еще и вероятность ошибки при задании
параметров воздействия.
80
Таблица 2.2
Технические характеристики аппаратов лазерной терапии
Тип
аппарата
λ
АЛП-01ЛАТОН
Многофункциональный:
магнито-лазеротерапия,
вакуумлазеротерапия,
лазеро-акупунктура (рефлексотерапия)
0,8–0,84
мкм
Режимы
работы
Вид
излучения
Излучаемая мощность
НепрерывЛазерный При непреный режим и инфракрасрывном
модулирован- ный излуча- излучении
ный с частотель
5–100 мВт
той 1–100 Гц
при
модулированном
излучении
5–50 мВт
0,65–0,67
мкм
Видимый
при непрерывном
излучении
5–30 мВт
Лазерный
красный излучатель
при
модулированном
излучении
2–15 мВт
Тип
лазера
Полупроводниковый
Матрикс-ВЛОК
0,365–
0,808
мкм
Непрерывный
Лазерный
красный и
ИК
1–30 мВт
Полупроводниковый
Матрикс
0,89мкм
Непрерывный
Лазерный
ИК
Средняя
мощность
излучения
1–250 мВт
Полупроводниковый
Импульсный
Fп = 10, 80,
600, 3000 Гц
τи=70–180 Нс
Импульсная мощность
2–99 Вт
Модулированный
МУСТАНГ 2000
Лазерное
и светодиодное
излучение
0,89 мкм
0,83 мкм
1,3 мкм
Импульсный
длительность
импульса
100±20 нс
0,67 мкм
0,63 мкм
Импульсный
и модулированный
Лазерный
инфракрасный излучатель
5; 8; 15;
80 Вт
200 мВт
5 мВт
Полупроводниковый
5 мВт;
30 мВт
10 мВт;
30 мВт
81
Продолжение табл. 2.2
Тип
аппарата
λ
МУСТАНГ 2000
Лазерное
и светодиодное
излучение
0,63 мкм
0,53 мкм
0,47 мкм
Режимы
работы
Вид
излучения
Непрерывный Лазерный
и модулиро- красный изванный
лучатель
Излучаемая мощность
Тип
лазера
15мВт
10 мВт
15 мВт
Полупроводниковый
Есть вариант
из 31 светодиода
0,89–
0,63 мкм
0,89 мкм
Светодиодные излучающие
головки
7 Вт(0,89)
15 мВт
(0,63)
60 Вт
(10 лазерных
диодов)
4,5 мВт
0,63 мкм
ВЛОК
Матричные
излучатели
ИК+
Красный
Муравей
Многофункциональный:
магнитоинфракрасная
лазерная
терапия
0,89 мкм
Импульсный
с возможностью низкочастотной
модуляции
потока
Fм=2,4 Гц
скважность
модулирующего сигнала= 2
τи = 170 нс
Fп=80 Гц
Лазерный
ИК
Lasermed 2000
0,905
мкм
Непрерывный
и импульсный
Лазерный
ИК
25÷375 Вт
Полупроводниковый
МИЛТА-Ф-5-01
Многофункциональный:
магнитоинфракрасная
лазерная
терапия
0,89 мкм
Лазерное
импульсное
Fп = 5, 50,
150, 600, 1500
Гц
Светодиодное
излучение,
Постоянное
магнитное
поле
Лазерный
ИК
Мощность
излучения
в импульсе: ≥ 5, 7
или 9 Вт
Мощность
излучения
светодиодов 0; 50;
100 мВт
Магнитная
индукция
≥ 20 мТл
Полупроводниковый
82
ПолуМощность
излучения проводв импульсе: никовый
50-70 Вт
Магнитная
индукция
в области
выхода
лазерного
излучения
40...90 мТл
Продолжение табл. 2.2
Тип
аппарата
λ
Режимы
работы
Вид
излучения
МИЛТА-Ф-8-01
Многофункциональный:
магнитоинфракрасная,
лазерная терапия
0,85–
0,89 мкм
для
лазера и
светодиодов
Постоянное
магнитное
поле,
Лазерный
ИК
импульсное
лазерное
8 частот повтор.Fп=5, 10,
50, 80, 150,
600, 1500,
5000 Гц
Излучаемая мощность
Тип
лазера
Магнитная
индукция
≥ 30 мТл
Полупроводниковый
мощность
излучения
в импульсе:
≥ 5,7,9,12
или 15 Вт
(в зависимости от
модели)
Постоянное
светодиодное
излучение инфракрасных
волн
Светодиодные
излучающие головки инфракрасных
волн
Мощность
излучения
светодиодов, мВт
любое
значение
от 0 до 120
0,88–0,91
мкм
Импульсный
Fп=1500 Гц
τи = 100 нс
Лазерный
ИК
0,97–
1,06 мкм
Непрерывный
ПолуМощность
излучения проводников импульвый
се: 3÷8 Вт
Средняя
мощность
излучения:
0,01÷2 мВт.
Мощностью
до 250 мВт
Руслан
лазерное
и видимое
излучения
в постоянном
магнитном поле
ИК и
красный
диапазоны
Лазерный
импульсный
Fп = 10; 150;
600; 1500 Гц
Лазерное
ИК- и Кизлучения
Красное
видимое
излучение
Мощность
излучения
в импульсе: 10 Вт
Мощность
светового
излучения:
≥20 мВт
Полупроводниковый
Узор-А-2К
0,89 мкм
Импульсный
Ближняя
инфракрасFп = 5, 80,
ная область
150, 300, 600,
1500, 3000
τи = 110÷160нс
Рср=2 Вт
Полупроводниковый
УФЛ-1 «Ягода»
Низкоэнергетический лазерный аппарат
0,63 мкм
Непрерывный
12 мВт
Гелийнеоновый
лазер
ОРИОН
Низкоинтенсивне лазерное излучение
Лазерное
Красное
83
Окончание табл. 2.2
Излучаемая мощность
Тип
лазера
Тип
аппарата
λ
Режимы
работы
Вид
излучения
АЛОК-1
Аппарат внутривенного облучения крови
0,63 мкм
Непрерывный
Лазерное
красное
1 мВт
Гелийнеоновый
лазер
Узор
0,89 мкм
Импульсный
τи = 7-8 мс
Fп=80-3000 Гц
Лазерное
ИК
Мощность
излучения
в импульсе
3-5 Вт
Полупроводниковый
АПЛ-1
0,63 мкм
Непрерывный
модулированный
регулирование частоты
модуляции
мощности
излучения,Гц:
0,2…6·104
Лазерное
Красное
Регулирование
мощности
на выходе
световода,
мВт: 0,1…
0,6
Глубина
модуляции
мощности
≥50%
Гелийнеоновый
лазер
Спектр-ЛЦ-М
Магнитолазерным
воздействием и
светодиодным
излучением
в видимой
и ближней
инфракрасной
областях
0,98 мкм
Непрерывный, Инфракрасимпульсный
ный
Мощность
излучения
рабочих
элементов
0.015–
100 мВт
Полупроводниковый
0,85
0,67
Акупунктура
0,54
0,47 нм
Частота
следования
световых воздействий, Гц:
от 0,1
до 99000
Световой
режим:
постоянный,
синусоидальный импульсный прямоугольный; импульсный
пилообразный;
модулированный Инфракрасный
Красный
Зеленый
Синий
3. Время работы (таймер).
Кроме требований, которые предъявляются к индикации частоты, необходимо обеспечить еще и звуковую индикацию начала
и окончания работы.
84
4. Мощность излучения.
В следствии того, что воздействие в терапии имеет дозозависимый характер, а мощность излучения может значительно меняться
в силу многих причин: температуры окружающей среды, напряжения питания и др., – существует необходимость обязательного контроля мощности излучения для более точного определения дозы воздействия. Если падение мощности лазеров видимого диапазона излучения можно как-то заметить, то для инфракрасных лазеров (невидимое глазом излучение) проблема контроля мощности и вопросы
безопасности стоят еще более остро. Широкий диапазон рекомендуемых для различных заболеваний и методик мощностей лазеров предполагает наличие регулятора уровня мощности, и в этом случае, контроль за этими изменениями просто необходим.
С точки зрения своих технических характеристик интересен
магнито-лазерный аппарат Азор-2К (рис. 2.25). Он обеспечивает непрерывный и импульсный режимы работы, а магниты (кольцевой
магнит МН-1 30мТл) и широкий спектр световодных насадок позвоа)
б)
в)
Рис. 2.25. Аппарат Азор-2К: а – внешний вид; б и в – лечебные насадки
85
ляют эффективно использовать аппарат во всех областях медицины:
при заболеваниях опорно-двигательного аппарата, в гнойной хирургии, проктологии, урологии, гинекологии, стоматологии, дерматологии, кардиологии, пульмонологии, гастроэнтерологии, фтизиатрии, неврологии, рефлексотерапии, заживлении ран и реабилитации.
Уникальная особенность аппарата – ауторезонансный режим:
изменение биологически значимых частот следования импульсов
за одну процедуру в широком диапазоне по специальному закону.
В результате микрокапилляры начинают работать как насосы, что
в несколько раз увеличивает микроциркуляцию крови и лимфы и
тренирует прилегающие мышцы. Этот режим эффективен при всех
воспалительных и репаративных процессах. Кроме того, происходит биорезонансное воздействие на пациента.
Имеются насадки с различными диаметрами от 4 до 17 мм. Насадки необходимого размера и формы выбираются в зависимости от
выполняемых лечебных процедур и режимов.
Так например, насадки № 2, 3, 4, 7, 8 применяют в физиотерапии поверхности тела; насадки № 2, 3, 4, 7, 9 – в урологии и проктологии; № 12 – в рефлексотерапии; № 10, 11, 12 – в стоматологии;
№ 13, 15 при ВЛОК; № 1, 2, 4, 5, 6, 9 – в гинекологии; № 14 – в гастроэнтерологии; № 8, 9 – в ЛОР-терапии.
Полезно рассмотреть конструктивное исполнение и внешний вид
комбинированного аппарата, сочетающего в себе принципы магнитной и инфракрасно-лазерной терапии МИЛТА-Ф-01 (рис. 2.26).
Известна целая серия аппаратов серии МИЛТА-Ф.
Терапевтический аппарат МИЛТА-Ф-01 предназначен для лечения заболеваний широкого профиля путем совместного или раздельного воздействия на пораженные области постоянным магнитным полем, низкоэнергетическим (нетепловым) импульсным лазерным и непрерывным светодиодным излучением инфракрасного диапазона, а также для диагностики патологического процесса
сравнением уровней сигналов, отраженных от контрлатеральных
(латеральный – боковой) областей больного.
Основным отличием данной модели является расширение числа
фиксированных частот повторения лазерного излучателя – 5, 10,
50, 80, 150, 600, 1500 и 5000 Гц, улучшены диагностические возможности аппарата, повышена его надежность, улучшен дизайн.
Одним из существенных преимуществ аппарата по сравнению
с аналогами является то, что он имеет фоторегистратор [3,7]. Фото86
регистратор дает возможность уточнить дозу облучения больного
в зависимости от тяжести заболевания и изменить ее в ходе лечения.
Терминал (рис. 2.26, б) представляет собой выносную часть аппарата, которой осуществляется запуск лазера и светодиодов. Им обеспечивается непосредственное воздействие на больного.
Размещение в аппарате МИЛТА-Ф-8-01 высокочувствительных
фотодиодов вне излучающей камеры внутри специальных трубочек, проходящих через отверстия в магните, позволило избавиться
от отраженного от поверхности биообъекта сигнала.
На эти фотодиоды могут поступать лишь переизлученные, рассеянные на более глубоколежащих слоях биообъекта ИК-сигналы,
излученные светодиодами. Это намного увеличило информацию
о состоянии пациента, позволило получить более достоверные результаты о процессах, происходящих во внутренних слоях биообъекта. Дно ложа терминала является диффузным отражателем
для ИК-излучения. Встроенный фоторегистратор обеспечивает
светоцифровую индикацию облучения больного непрерывным
излучением светодиодов и выдает цифровые данные о мощности
излучения.
а)
б)
Рис. 2.26. Внешний вид аппарата МИЛТА-Ф-01 (а) и его терминала (б):
1 – пульт питания; 2 – терминал; 3 – неразъемный электрошнур;
4 – сетевой кабель с вилкой; 5 – кнопка включения;
6, 8, 9 – индикаторные диоды соответственно включения, режимов
работы, частоты лазерного излучения; 7 – кнопка переключения
режимов работы; 10 – цифровое табло; 11- кнопки установки
параметров; 12 – корпус терминала; 13 – гайка терминала;
14 – кнопка «Пуск»; 15 – дно ложа терминала; 16 – постоянный
кольцевой магнит; 17 – индикаторный диод включения лазера
87
В аппарате предусмотрена звуковая, световая и светоцифровая
индикация. Индикаторный светодиод указывает на работу лазера;
цифры на табло говорят о работе четырех светодиодов в непрерывном режиме излучения. Восемь зеленых индикаторных диодов указывают на выбранную частоту повторения импульсов излучения.
Звуковой сигнал возникает при нажатии кнопки и длится не менее 0,5 с. При этом зажигаются все индикаторные светодиоды. Прекращение звука говорит о готовности аппарата к работе. Длительность экспозиции устанавливается кнопками в режиме «Время» по
показаниям цифрового табло.
Магнитная индукция на оси магнита колеблется от 20 до 80 мТл.
Максимальная суммарная мощность излучения светодиодов на выходе терминала – не менее 120 мВт. Максимальная плотность мощности – не менее 22 мВт/см2. Средняя мощность излучения лазера на
выходе терминала составляет не менее 2 мВт при частоте повторения
5 кГц. Максимальное значение средней плотности мощности – не менее 0,4 мВт/см2. Габаритные размеры прибора 240×215×115 мм. Фотоснимок аппарата МИЛТА-Ф-8-01 приведен на рис. 2.27.
Среди фототерапевтической аппаратуры серии МИЛТА-Ф
существует также аппарат лазерной терапии МИЛТА-Ф-5-01.
МИЛТА-Ф-5-01 – малогабаритный и удобный лазерный терапевтический аппарат (рис. 2.28).
Аппарат состоит из адаптера, который подключается к сети, и собственно лечебной части – терминала, который выполнен так, чтобы
его было максимально удобно держать в руке. На терминале находятся все кнопки управления аппаратом, в нем же размещены все
Рис. 2.27. Внешний вид
аппарата МИЛТА-Ф-8-01
88
Рис. 2.28. Аппарат
МИЛТА-Ф-5-01
оказывающие лечебное воздействие
элементы.
Аппарат МИЛТА-Ф-5-01 имеет
микропроцессорное управление, цифровой дисплей, регистрацию наличия излучения, таймер, красную
подсветку облучаемой области, звуковую и цифровую сигнализацию.
Аппарат лазерной терапии (АЛТ)
Матрикс-ВЛОК предназначен для
Рис. 2.29. Аппарат лазерной
внутривенного облучения крови
терапии Матрикс-ВЛОК
(ВЛОК) лазерным и светодиодным
излучением различного диапазона
длин волн (рис. 2.29). Этим аппаратом можно проводить как внутривенное лазерное облучение, так и УФО крови. Для этого к АЛТ
Матрикс-ВЛОК необходимо только дополнительно приобрести головку для УФО крови. Данные исследований показывают, что более
эффективным для воздействия на организм является излучение с
длинами волн 0,532, 0,405 и 0,365 мкм, которое лучше поглощается
кровью. В базовый комплект АЛТ Матрикс-ВЛОК входит излучающая головка с длиной волны 0,63 мкм и мощностью 1,5–3,0 мВт для
проведения облучения крови с самыми распространенными параметрами.
Таблица 2.3
Лазерные (КЛ) и светодиодные (МС) излучающие головки
для АЛТ Матрикс-ВЛОК
ТИП
ЦВЕТ
λ, мкм
МОЩНОСТЬ, мВт
КЛ-ВЛОК
Красный
0,63
1,5–2,0
КЛ-ВЛОК- ИК
ИК
0,808
40
КЛ-ВЛОК-М
Красный
0,63
15–20
МС-ВЛОК-365
УФ
0,365
1
КЛ-ВЛОК-405
Синий
0,405
1
МС-ВЛОК-450
Синий
0,45
1
КЛ-ВЛОК-532
Зеленый
0,532
1
МС-ВЛОК-530
0,53
89
Универсальность – один из основополагающих принципов, заложенных в современном «инструменте» врача или исследователя.
Основная цель универсальности – с минимальными затратами удовлетворить многочисленные, порой противоречивые требования
врачей к аппаратуре. Совместить несовместимое позволяет блочный принцип построения аппаратуры. Разработанная исходя из
этого принципа аппаратура как бы разбивается на три части: базовый блок, излучающие головки и насадки. Принцип универсальности был реализован в полной мере при разработке АЛТ «Мустанг»
(рис. 2.30).
Базовый блок – основа каждого комплекта, является по существу блоком питания и управления. Основные его функции – задание режимов излучения: частота, время, мощность. Большинство
моделей позволяют контролировать несколько параметров излучения, основным из которых является мощность (средняя или импульсная). Базовые блоки отличаются функциональными возможностями, их условно можно разделить на два типа: с фиксированным набором параметров и произвольно задаваемым. При работе
по известным методикам, когда процедуру отпускает медсестра и
большой поток больных, наиболее предпочтительно и удобно пользоваться АЛТ, в котором применен принцип «фиксированных частот». На передней панели такого базового блока расположен ряд
кнопок с указанием над каждой частоты, которая будет автоматически задана после нажатия кнопки. Необходимым атрибутом
š¹ÀǻԺÄÇÃ
™¤«„¥ÌÊ˹Ƽ”
¤¹À¾ÉÆÔ¾¼ÇÄÇ»ÃÁ
¤§¤§
¤§£¤§£
£¤§£¤§
¥¤§¥¤§
ª»¾ËǽÁǽÆÔ¾
¼ÇÄÇ»ÃÁ
¥ª§¥ª§
Рис. 2.30. АЛТ «Мустанг»
90
¦¹Ê¹½ÃÁ
¥¨§s¥¤ª¨§
в этом случае является световая индикация включения, которая позволяет убедиться в правильности задания режима. Аналогичным
образом выбирается время работы (таймер). Такой принцип реализован в моделях АЛТ «Мустанг» – 016, 017, 022.
Небольшое количество фиксированных параметров, задаваемых
такими аппаратами, приводит к ограничениям возможностей, которые в известной степени устраняются наличием базовых блоков,
позволяющих врачу самому задавать необходимые значения параметров (АЛТ «Мустанг» – модели 024 и 026), наглядное представление выбранных значений обеспечивается цифровыми индикаторами разного типа. Аппараты всех типов обязательно должны иметь
индикатор или измеритель мощности излучения (фотометр). К одному блоку могут быть подключены одна, две и более излучающих
головок, но наиболее распространены двухканальные аппараты
(рис. 2.31). Как правило, в арсенале современного врача есть несколько типов головок, позволяющих максимально реализовать
возможности лазерной терапии. В этом случае применение различного типа коммутаторов, распределителей, разветвителей и т.д.
очень удобно, так как нет необходимости менять с каждой процедурой головку и можно регулировать их мощность независимо.
Можно быстро подключить любую из головок, причем одновременно и в любой комбинации можно использовать две и более, например, красный и инфракрасный лазеры.
Взаимозаменяемость излучающих головок и насадок позволяет каждому врачу, исходя из конкретной задачи, составлять свой,
оптимальный комплект оборудования или организовывать многофункциональные, высокоэффективные лечебные кабинеты.
2-канальный
4-канальный
Рис. 2.31. Лазерные терапевтические аппараты серии Мустанг 2000
91
Аппарат имеет светодиодные излучающие головки, лазерные излучающие головки, матричные излучатели. Насадки для излучающих головок показаны на рис. 2.32.
Значительно расширить диапазон интенсивностей, не нарушающих гармонию внутренних биоритмов, можно при временной синхронизации воздействия на биосистему.
В принципе, достичь нерассогласующего действия ЛИ на всех уровнях можно путем согласования временной характеристики воздействующего излучения с периодами всех эндогенных биоритмов, но изза принципиальных трудностей реализация такого режима ограничиваются априорным определением для каждого больного не менее 3 частот внутренних ритмов, как это сделано в аппарате «Мустанг-БИО».
Все модели АЛТ Мустанг в модификации «БИО» (рис. 2.33) позволяют проводить лазерное облучение, модулированное сигналами с датчиков пульса и дыхания, подключаемых к пациенту, а также частотой около 10 Гц. Биоуправляемая лазерная терапия учитывает биоритмологические особенности пациента, благодаря чему достигается устойчивый терапевтический эффект, отсутствие
побочных эффектов при более низкой дозе воздействия. Главные
преимущества биоуправляемой хронолазеротерапии по сравнению
с традиционным воздействием: системный характер лечения благо-
Рис. 2.32. Оптические и магнитные насадки для излучающих головок
Рис. 2.33. Приставка «БИО» к АЛТ Мустанг 2000
92
даря иммунокоррекции и усилению
антиоксидантной защиты; устранение десинхронозов1, нормализация
нормального кровотока; синхронизация регионального и центрального
кровотоков, что устраняет и последствия, и причины болезни.
Специализация некоторых аппарататов выводит на первый план совсем другие требования, чем универсальность, которая не всегда является исключительно необходимой. ПоРис. 2.34. Аппараты
сле появления сообщения об эффекдля
лазерной терапии
тивности применения внутривенного
Lasermed 2100-2200
облучения крови (ВЛОК) для лечения
больных стенокардией и острым инфарктом миокарда методика нашла применение во многих других
областях медицины. Возникла необходимость аппаратурного обеспечения. Долгое время для этих целей успешно применялся аппарат АЛОК, в котором стоял He-Ne лазер с l = 0,633 мкм и мощностью 2,5 мВт. Теперь им на смену приходят аппараты, применяющие ППЛ с близкой длиной волны излучения. Разработан, успешно прошел технические и клинические испытания АЛТ «МУЛАТ»,
который предназначен в основном для ВЛОК (максимальная мощность излучения 4,5 мВт).
Простота управления необходима в любой аппаратуре, в том числе и в медицинской. Критерием оценки простоты управления является время на обдумывание действий, связанных с изменениями параметров настройки и число совершенных при этом ошибок. Простота управления АЛТ тесно связана с ее эргономичностью. Должна
быть обеспечена такая работа медперсонала, при которой все внимание сосредоточено на больном, на выполнении основной задачи – качественного лечения, а о действиях с самой аппаратурой
можно было бы не задумываться.
Примером подобной аппаратуры являются аппараты для лазерной терапии Lasermed. Производитель приборов – Италия. В настоящее время эксплуатируется серия «2000» (рис. 2.34).
1 Десинхронизация – замещение упорядоченных во времени (синхронных) высокоамплитудных потенциалов на электроэнцефаллограмме более быстрыми и низкоамплитудными; служит показателем усиления активности нервной системы.
93
Серия «2000» представляет собой новый шаг вперед в области терапии лазером. Группа Lasermed 2000 состоит из 2 аппаратов, отличие между которыми заключается в количестве выходов: 1 выход –
для модели Lasermed 2100 и 2 – для модели Lasermed 2200, который
позволяет работать с 2 датчиками (также при разных моделях) в совершенно независимом режиме. Использование удобного пантографического1 плеча, разработанного специально для всех датчиков
серии ML, позволяет проводить сеансы лечения «в фиксированном
режиме» без присутствия оператора, который может посвятить свое
время другим делам.
Сенсор, приводимый в действие при контакте, который есть во
всех ручках датчиков, управляет запуском лазерной энергии, сокращая риски нежелательных радиационных излучений. Прибор оснащен графическим дисплеем LCD, который отображает всю
необходимую информацию и, благодаря удобному кодирующему
устройству, позволяет быстро выбирать диапазон тока или протокол лечения к исполнению с доступом к более 50 программам или
дает возможность создавать и вносить в память до 50, как простых,
так и последовательных протоколов.
Пульт (дополнительный аксессуар), функционирующий на радиочастотах, позволяет вести дистанционное управление основными
функциями прибора с любой позиции в помещении без необходимости ориентировать его в сторону аппарата.
Вокальный синтезатор (дополнительный аксессуар) позволяет
вести использовать аппарат также операторам со зрительной недостаточностьюи с полным отсутствием зрения, указывая при помощи
отчетливых звуковых сигналов функцию, приведенную в действие.
Автономные портативные аппараты лазерной терапии незаменимы при работе с внутриполостным инструментом (ЛОР, стоматологический и др.), но особенно хорошо такие АЛТ проявили себя
в рефлексотерапии. Например, для лазерной акупунктуры разработаны специальные АЛТ «Мотылек – рефлекс», в комплект которых
входит соответствующая насадка (А3). Также специализированное
направление их применения определяется использованием лазеров
с наиболее эффективными для акупунктуры длинами волн излучения 0,63 и 1,3 мкм.
Аппарат ОРИОН представляет собой портативное устройство
(вес 400 г), характеристики его приведены в табл. 2.2. Это еще один
1
94
Пантограф – прибор для вычерчивания копий.
£ÆÇÈù„ª¾ËÕ ”
¡Æ½ÁùËÇÉ
„£ÇÆËÉÇÄÕ
ÅÇÒÆÇÊËÁ”
©¹ÀÓ¾ÅÁÀÄÌй˾ÄØ
§ÃÆÇ
ÍÇËÇÈÉÁ¾ÅÆÁù
¡Æ½ÁùËÇÉ
£ÆÇÈù
„›É¾Åؔ
£ÆÇÈù
„¨ÌÊÔ
¡Æ½ÁùÏÁØ
ɹÀÉؽ¹º¹Ë¹É¾Á
¡Æ½ÁùËÇÉ
Рис. 2.35. Аппарат лазерной терапии ОРИОН
пример автономного портативного аппарата лазерной терапии. Питание аппарата осуществляется от сети или от двух пальчиковых
батареек типа А4.
В заключение следует отметить следующие важные собенности,
имеющие место в новых моделях АЛТ:
– возможность уточнения индивидуальной дозы лечебного воздействия;
– возможность диагностики и контроля за ходом лечением ряда
заболеваний и в том числе послеоперационных осложнений;
– в аппаратах применяют микропроцессорное управление и современную элементную базу;
– введен дискретный таймер на время экспозиции;
– применен более экономичный и надежный источник питания;
– введены более современные, простые и надежные органы
управления;
– обеспечена возможность подключения второго терминала, полностью эквивалентного основному, что сокращает время процедуры и повышает эффективность работы аппарата при необходимости
облучения больших поверхностей кожи, крупных суставов (например, тазобедренного, коленного);
– предусмотрена возможность использования световодных насадок, обеспечивающих подведение излучения непосредственно к
очагу поражения;
95
– предусмотрена возможность подключения к аппарату терминалов для КВЧ-терапии и УЗИ-терапии;
– предусмотрена возможность работы аппарата в режиме диалога с компьютером;
– повышены диагностические возможности аппарата за счет
установки дополнительных фотодиодов, вынесенных за пределы
излучающей камеры.
Анализ литературных данных и свойств имеющихся образцов
АЛТ позволяет сделать следующие выводы о перспективах развития аппаратуры [1, 4, 5, 11]:
1. Производство универсальных аппаратов, построенных по блочному принципу (базовый блок – излучающая головка – насадка) и
позволяющих с минимальными затратами перепрофилировать их
для лечения различных заболеваний.
2. Производство узкоспециализированных комплексов, сочетающих, как правило, несколько способов воздействия на организм человека. Такие комплексы, оснащенные мощным методическим сопровождением, позволяют максимально эффективно реализовать
возможности физической медицины при лечении одного-двух заболеваний. Примером этого направления приборостроения могут служить также аппараты для внутривенного облучения крови, специализированные по способу воздействия.
3. Производство малогабаритных, автономных, исключительно
простых в обращении и максимально безопасных аппаратов, предназначенных для самостоятельного использования их пациентами
по назначению и под наблюдением лечащего врача. Такие АЛТ также могут быть полезны в ряде случаев и врачам.
4. Разработка и повсеместное внедрение методик терапии, основанных на воздействии несколькими длинами волн монохроматического излучения (синяя, зеленая, красная и инфракрасная). Реализовать это в малогабаритном и универсальном аппарате позволяют полупроводниковые лазеры с соответствующими длинами волн
излучения. Появляется возможность воздействия всеми длинами
волн одновременно или в любой комбинации различными излучателями.
5. Замена непрерывных лазеров на генерирующие наносекундные импульсы пиковой мощностью 1–10 Вт и имеющие среднюю
мощность на 2–3 порядка меньше, чем у применяемых сегодня непрерывных лазеров. Опять же единственно возможными источниками излучения в данном случае могут выступать только полупро96
водниковые инжекционные импульсные лазеры с различными длинами волн излучения.
6. Реализация многочастотного режима модуляции лазерного
излучения всей иерархией эндогенных ритмов конкретного пациента (или максимально возможным набором), охватывая диапазон от
онтогенеза1 (10–10 Гц) до частот оптического диапазона электромагнитных волн (1014 Гц), которыми и осуществляется воздействие.
Другими словами, чтобы получить максимальный эффект, надо
учитывать и возраст пациента и варьировать различными длинами
волн излучения. Между этими крайними точками частотной иерархии организации жизни есть множество характерных диапазонов,
успешно изучаемых сегодня и которые надо учитывать при многочастотном режиме воздействия АЛТ.
2.7. Измерение мощности и энергии лазерного излучения
Дозирование воздействий осуществляют по плотности потока
энергии лазерного излучения. Ее оценивают при помощи специ­
альных измерителей мощности лазерного излучения. Величину
плотности потока энергии рассчитывают с учетом площади облучаемого участка по формуле (2.7).
Мощность и энергия излучения лазеров – это различные, хотя
и тесно связанные друг с другом величины. Лазерное излучение
принято характеризовать следующими параметрами: мощностью
излучения при работе лазера в непрерывном режиме; энергией излучения одиночных импульсов; средней мощностью в импульсе;
средней мощностью импульсно-модулированного излучения.
Измерения энергии и мощности лазерного излучения не отличаются достаточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5%
и редко понижаются до 0,5 %).
Измерители мощности и энергии лазерного излучения делятся
на приборы поглотительного типа и измерители проходящей энергии [3]. К приборам поглотительного типа относят, например, калориметрические и фотоэлектрические устройства. Приборы, измеряющие проходящую энергию, основаны на явлениях нелинейной
поляризации кристаллов под действием излучения лазеров.
В преобразователях поглотительного типа поступающая на вход
энергия лазерного излучения почти полностью поглощается и рас1 Онтогенез – индивидуальное развитие.
97
сеивается в нем. В преобразователях проходного типа рассеивается
лишь часть поступившей на вход энергии излучения (как правило
небольшая), а большая часть излучения проходит через преобразователь и может быть использована для требуемых целей.
Существующие средства измерения энергетических параметров
лазерного излучения содержат приемный (первичный) измерительный преобразователь (ПИП), измерительное устройство, а также отсчетное, или регистрирующее устройство. В ПИП энергия лазерного излучения преобразуется в тепловую или в механическую энергию или в электрический сигнал, доступные для дальнейшего преобразования и измерения.
Измерительное устройство включает преобразовательные элементы
и измерительную цепь. Их назначение – преобразование выходного
сигнала ПИП в сигнал, подаваемый на отсчетное или регистрирующее устройство. Отсчетное или регистрирующее устройство служит
для считывания или регистрации значения измеряемой величины
в аналоговой или цифровой форме.
Обычно ПИП конструктивно выполняется в виде отдельного блока, называемого измерительной головкой, а измерительное и отсчетное устройства – в виде измерительного блока. В измерительный
блок могут быть включены дополнительные устройства, например
цепи коррекции дрейфа нуля, температурной и электрической стабилизации и другие.
Тепловые методы устройств поглотительного типа основаны на
преобразовании энергии излучения лазера в тепловую энергию, которая затем измеряется тем или иным способом.
Для измерения тепловой энергии, выделившейся в ПИП, обычно
используют:
– термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение ТЭДС
между нагретым и холодным спаями двух разнородных металлов
или полупроводников);
– явление изменения сопротивления металлов и полупроводников при изменении температуры (болометрический эффект); фазовые переходы «твердое тело–жидкость» (лед–вода);
– эффект линейного или объемного расширения веществ при нагревании и др.
Необходимо отметить, что все тепловые ПИП в принципе являются калориметрами. Однако в литературе сформировались устойчивые названия ПИП, ассоциируемые обычно с некоторой совокупностью характерных признаков, свойственных приемным преобра98
зователям определенных типов (термоэлементы, болометры, пироприемники и т. п.).
Наиболее широкое распространение для измерения таких усредняемых во времени энергетических параметров лазерного излучения, как энергия и средняя мощность, получили калориметры. Они
имеют достаточно конструктивно развитый приемный элемент, не
объединенный с чувствительным элементом. К достоинствам калориметров относятся широкий спектральный и динамический диапазон работы, высокая линейность, точность и стабильность характеристик, простота конструкции, возможность их использования с высокоточными, хотя и инерционными цифровыми приборами, возможность калибровки преобразователей по эквивалентному
электрическому воздействию.
В качестве преобразователей энергии излучения в теплоту могут
быть использованы твердые поглотители абсолютно твердого тела
(сферические, конусные, клиновидные и т. д.). Величина поглощенной энергии оценивается формулой
ε
(2.9)
T (τ) = P0 (1 − eτ/τ í ) ,
α
где ε – коэффициент поглощения нагрузки; τн = С/α – постоянная
времени нагрузки, с; С – теплоемкость материала нагрузки, Дж/К;
τ – текущий момент измерения, с; α – коэффициент, характеризующий теплопроводность калориметра, Дж/(с · К).
В качестве примера на рис. 2.36 изображен ПИП прибора ИМО-2,
серийно выпускаемого отечественной промышленностью для измерения средней мощности и энергии импульсов лазерного излучения.
Здесь приемный элемент 1 выполнен
в виде медного конуса со встроенным
электрическим нагревателем для градуировки, причем на его приемную поверхность нанесено поглощающее покрытие.
В качестве чувствительного элемента 2
применена медно-константановая термобатарея, содержащая более 2000 термопар, равномерно распределенных между
Рис. 2.36. Упрощенная
наружной поверхностью приемного элеконструкция
мента и поверхностью пассивной тепло- калориметрического ПИП
прибора ИМО-2
емкой оболочки 3 калориметра.
99
Фотоэлектрический метод основан на использовании в качестве
приемников излучений вакуумных фотоэлементов (ФЭ) и фотоумножителей (ФЭУ) и сводится к измерению разряда под действием излучения заранее заряженной емкости до начала действия импульса и после его окончания, с учетом чувствительности фотоприемника (ФП).
Спектральный диапазон вакуумных фотоприемников (ФП) зависит от материала фотокатода. В настоящее время выпускаемые промышленностью ФЭ и ФЭУ перекрывают диапазон от УФ (0,16 мкм)
до ближнего ИК излучения (1,2 мкм – для серебряно-кислородноцезиевого катода). Динамический диапазон, в котором сохраняется
линейность преобразования оптического сигнала в электрический,
для ФЭ сравнительно большой. Нижний предел ограничен шумами и темновым током ФЭ, верхний – влиянием пространственного
заряда и продольным сопротивлением фотокатода. Шумы и темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых
уровней оптических сигналов. Фотоэлемент, основанный на явлении фотоэффекта, не позволяет измерять слабые световые потоки,
так как фототок получается ничтожно малым. Поэтому широко
используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие
без всякой дополнительной аппаратуры усиливать слабые фототоки
в огромное число раз (до десятков миллионов). Внутреннее усилие
фототока в ФЭУ основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Бомбардировка поверхности металла, полупроводника или
диэлектрика электронным пучком, который ускорен полем, вызывает эмиссию вторичных электронов с облучаемой поверхности.
Эмиссионные свойства поверхности характеризуются коэффициентом вторичной эмиссии – отношением числа выбитых электронов n2
к числу падающих первичных электронов n1 , т. е. s = n2/n1. Схематическое устройство многокаскадного фотоумножителя приведено
на рис. 2.37.
™
V
V
V
V
Ã
Рис. 2.37. Фотоэлектронный умножитель
100
Фотоумножитель состоит из светочувствительного катода и ряда вторичных эмиттеров (динодов), расположенных так, чтобы наибольшее число фотоэлектронов, испускаемых эмиттером, достигало следующего эмиттера. Эмиттеры изготавливаются из материала
с большим коэффициентом вторичной эмиссии, а их форма и расположение задаются выбранным способом фокусировки и ускорения
электронов.
Фотоэлектронные умножители обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (динодной) системы. Динодная система состоит обычно из Nд = 5…15 каскадов умножения.
Диноды – электроды корытообразной, коробчатой или жалюзийной формы с линейным либо (реже) круговым расположением, обладающие коэффициентом вторичной эмиссии s > 1. Структурные
схем фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) с линейными динодными системами приведены на рис. 2.38. Штрихпунктирными линиями изображены траектории электронов.
К ФП на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, МДП-фотоприемники и друб)
£
а)
›
­
£
¶
™
™
Рис. 2.38. Структурная схема ФЭУ: а – с корытообразными динодами;
б – с жалюзийными динодами; Ф – световой поток; К – фотокатод;
В – фокусирующие электроды катодной (входной) камеры;
Э – диноды; А – анод
101
гие полупроводниковые ФП. Для измерения энергетических параметров излучения наиболее широкое распространение получили
фотодиоды (ФД) и фоторезисторы (ФР).
Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающемся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых
полупроводниках и диэлектриках при падении на них оптического
излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления и соответственно к увеличению тока, протекающего через фоторезистор.
Фоторезисторы различных типов перекрывают широкий спектральный диапазон (0,4…25 мкм); большинство из них требует
охлаждения до температуры жидкого азота или жидкого гелия, что
вызывает дополнительные трудности при их использовании в измерительной аппаратуре в качестве ПИП. Кроме того, они обладают
большей инерционностью и невысокой чувствительностью, что также ограничивает их применение для измерений энергетических параметров лазерного излучения.
Наиболее широкое использование для этих целей имеют германиевые и кремниевые фотодиоды. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через p-n-переход и
ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электрического тока в цепи. Фототок в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. Для измерения энергетических параметров излучения обычно используют фотодиодный
режим (с питанием), так как при этом диапазон линейности и быстродействие гораздо больше, чем в фотовольтаическом режиме (без
питания). Важное значение для работы всех ФП имеет согласование
с электронной схемой.
Фотодиоды обладают сравнительно низким уровнем шумов, что
в сочетании с высокой чувствительностью, делает их ФП с низким
порогом чувствительности. Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабых потоков излучения (до 10–6 Вт).
Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью,
т. е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы ( ФЭУ), так и полупроводниковые (ФР, ФД) . Для измерения малых потоков требуются приемники с высокой чувствительностью
и низким уровнем шума. Фотодиоды уступают по чувствительно102
сти ФЭУ. Однако ФД обладают низким уровнем шума. Это позволяет применять ФД для измерения малых потоков не непосредственно, а с помощью усилителя. В этом случае ФД вполне могут конкурировать с ФЭУ, а в ряде случаев и превосходить их по характеристикам.
Основные преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: небольшие
габариты, низковольтное питание, высокая надежность и механическая прочность, более высокая стабильность чувствительности,
низкий уровень шумов, лучшая помехозащищенность от электрических и магнитных полей.
Недостатки ФД по сравнению с ФЭУ: меньшее быстродействие
для большинства ФД, более сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора.
Для измерения временных параметров лазерного излучения следует применять наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники – ФЭ, для измерения малых потоков – ФЭУ и лавинные ФД.
Для измерения мощности лазерного излучения в непрерывном
режиме могут быть использованы как вакуумные, так и полупроводниковые ФП, поскольку здесь не требуется их высокого быстродействия.
Дополнительно следует сказать, что для измерения энергии и мощности лазерного излучения используют еще пондеромоторный метод. В пондеромоторных измерителях энергии и мощности лазерного излучения используется эффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную металлическую или диэлектрическую пластину и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем.
Для измерения давления излучения используют различные преобразователи: емкостные, пьезоэлектрические, крутильные весы на
механическом и магнитном подвесе, механотроны. Первые два типа
большого распространения не получили из-за малого значения коэффициента преобразования, малой помехоустойчивости и сложности
системы отсчета и регистрации. Наиболее широко применяются крутильные весы – классический прибор для измерения малых сил.
В настоящее время в конструкцию пондеромоторных измерителей введено много усовершенствований, которые позволили улучшить их эксплуатационные и метрологические параметры. Прежде всего оказалось возможным отказаться от вакуумирования и
использовать атмосферное давление воздуха в камере. Применение в качестве приемных элементов прозрачных диэлектрических
103
пластин вместо отражающих металлических позволило увеличить
верхний предел изменения энергии излучения (до 104 Дж). Такие
устройства позволяют измерять мощность лазерного излучения,
начиная с единиц милливатт, и энергию импульсов в десятые доли
джоуля.
Опыт, накопленный при разработке и эксплуатации различных
типов измерителей энергии и мощности лазерного излучения, позволяет сделать заключение об областях применения, достоинствах
и недостатках различных методов.
К достоинствам теплового метода измерения энергетических
параметров лазерного излучения относятся широкие спектральный
и динамический диапазоны измерения, простота и надежность измерительных средств. В настоящее время в некоторых калориметрических измерителях достигнута наиболее высокая точность измерения, а при использовании пироэлектрических приемников излучения и быстродействующих термоэлементов и болометров удалось получить быстродействие до единиц наносекунд.
К недостаткам теплового метода можно отнести малое быстродействие и чувствительность как раз тех тепловых приборов, которые обеспечивают наиболее высокую точность измерения.
В приборах, основанных на фотоэлектрическом действии излучения, достигаются максимальная чувствительность и быстродействие; это позволяет использовать их в качестве измерителей формы
импульсов и импульсной мощности вплоть до субнаносекундного
диапазона. Недостатками таких приборов является сравнительно
узкий спектральный диапазон и обычно невысокий верхний предел
измерения мощности (энергии), а также большая погрешность измерений (5…30%) по сравнению с тепловыми приборами.
Преимущество пондеромоторного метода – высокий верхний
предел измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности абсолютных измерений. Основной недостаток – жесткие требования к условиям эксплуатации (особенно к вибрации) и,
вследствие этого, ограничения к применению вне стационара.
Поскольку мощность излучения существенно меняется с течением времени из-за изменения свойств излучателя, в низкоэнергетических аппаратах для проведения терапии облучением обычно
предусмотрен внутренний измеритель оптической мощности излучения. Его обычно помещают в корпус аппарата. Излучающая головка или излучающий конец световода вставляется в соответствующее
гнездо. Их световое излучение падает на преобразователь энергии
104
в эквивалентное значение термоЭДС. Лазерное излучение вызывает
нагрев приемного элемента и связанных с ним горячих спаев батареи
из нескольких термопар. Приемный элемент имеет обычно два термоэлектрических преобразователя – рабочий и компенсационный.
Они включены встречно, что позволяет уменьшить влияние температуры окружающей среды на показания прибора. Для регулировки коэффициента преобразования в режиме измерения мощности
термопреобразователи иногда замыкают на резистор (рис. 2.39).
Измеритель мощности градуируется в милливаттах и позволяет
устанавливать требуемую мощность с помощью ручек регулировки.
Интересно рассмотреть простейшую схему для измерения характеристик полупроводникового лазера (диода), которая приведена на
рис. 2.40. Основными характеристиками лазерного диода являются
его вольт-амперная характеристика – зависимость тока диода I от
приложенного к нему напряжения и вольт-ваттная характеристика
– зависимость мощности генерируемого излучения Ф от приложен£ÌÊÁÄÁ˾Ä×
3
£ÇÅȾÆʹÏÁÇÆƹØ
˾ÉÅÇÖľÃËÉÁоÊùØ
ʾÃÏÁØ
©¹ºÇйØ
˾ÉÅÇÖľÃËÉÁоÊùØ
ʾÃÏÁØ
Рис. 2.39. Измерительная цепь прибора измерения
мощности лазерного излучения
3
N"
›
7
'%
'%
N"
Рис. 2.40. измерение характеристик лазерного диода
105
ного напряжения (рис. 2.41).
Знание данных характеристик
требуется при изготовлении и
наладке различных электрон
ных устройств на основе диод
ного лазера.
Напряжение, прикладывае
мое к лазерному диоду, регулируется с помощью потенциоме
тра R. При этом измеряется пря
6›
мой ток лазерного диода и мощность излучения (по току фотоРис. 2.41. Вольт-амперная
диода FD).
характеристика диода
Из характеристики видно,
что ток лазерного диода начинает возрастать лишь при напряжении выше 1,8 В. При этом зависимость тока от напряжения в диапазоне от 1,8 В до 4,0 В является
линейной. Рабочий ток лазерного диода составляет величину около 30 мА. По виду зависимости тока фотодиода от тока лазерного
диода заметно, что лазерный диод работает как пороговый элемент,
переходя при малых изменених напряжения от полного погасания
к максимальной яркости. Линейная зависимость мощности излучения от напряжения наблюдается лишь в очень узком диапазоне напряжений (от 2,8 В до 3,2 В).
Рассмотрим измеритель мощности лазерного излучения Мустангстандарт (рис. 2.42). Измеритель Мустанг-стандарт рекомендуется
+N"­Ì¾
Рис. 2.42. Универсальный цифровой измеритель
мощности лазерного излучения Мустанг-стандарт
106
как универсальное средство измерений при контроле мощности
лазерных терапевтических аппаратов и других источников лазерного излучения.
Технические характеристики
прибора:
– измерение средней мощности лазерного излучения для
шести длин волн (от 0,63 до 0,96
Рис. 2.43. Измеритель мощности
мкм) в диапазоне от 1 до 250 мВт,
лазерного излучения РБК-7.101
автоматический выбор предела
измерений;
– измерение импульсной мощности лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,63 до 0,96 мкм;
– питание от двух батареек размера АА, автоматический контроль степени разряда батареек;
– небольшие габариты и удобство в эксплуатации.
Измеритель мощности лазерного излучения РБК-7.101 предназначен для измерения средней мощности непрерывного лазерного
излучения длиной волны 0,63 – 0,64 мкм в ЛТА (рис. 2.43).
Измеритель применяется в качестве рабочего средства измерения при производстве и эксплуатации газовых и полупроводниковых лазеров и изделий на их основе.
Основные технические данные:
– диапазон измерения средней мощности лазерного излучения
от 2 до 50мВт;
– длина волны излучения 0,63÷0,64 мкм;
– пределы измерения мощности 5, 15, 50 мВт;
– диаметр луча не более 11мм;
– допускаемая плотность мощности 12,7;
– предельный угол падения излучения 10 град;
– погрешность измерения не более 15 %.
107
Литература ко 2-му разделу
1. Зарембо М. С. Лазер как очередная панацея, или небольшой
экскурс в лазерную медицину. f-t-ovcy.narod.ruf-t-vcy.narod.ru/…/
laserpanac.htm
2. Боголюбов В. М., Пономаренко Г. Н. Общая физиотерапия:
учебник. М.: Медицина, 2003.
3. Кореневский Н. А., Попечителев Е. П., Филист С. А. Приборы
и технические средства для терапии: учеб. пособие: в 2 ч. Ч. 1 /
Курск. гос. техн. ун-т. Курс, 2005.
4. Карандашов В. И., Петухов Е. Б., Зродников В. С. Квантовая
терапия. М.: Медицина, 2004.
5. Москвин С. В., Буйлин В. А. Основы лазерной терапии. М.: Триада, 2006.
6. Пономаренко Г. Н., Турковский И. И. Биофизические основы
физиотерапии. М.: Медицина, 2006.
7. (pdf) http://www.oldadm.syzran.ru/competition/files/20070119zk00009.pdf
8. Майоров П., Кырхларов Д. Измерение параметров лазеров.
http://etelien.ru/Collection/38/38_00162.htm
9. Карандашов В. И. Фототерапия (светолечение): руководство
для врачей. М.: Медицина, 2001.
10. Козлов В. И., Буйлин В. А. Лазеро­терапия. М.: Медицина, 1993.
11. Москвин С. В., Буйлин В. А. Основы лазерной терапии. Тверь:
Триада, 2006.
12. http://www.fisioterapiya.info
108
Содержание
Предисловие.................................................................... 3
Основные сокращения....................................................... 5
1. Технические методы лечебных воздействий при ультразвуковой терапии......................................................... 6
1.1 Воздействие ультразвука на биологические ткани......... 6
1.2. Физика получения ультразвука............................... 18
1.3. Приборы физиотерапии.......................................... 25
1.4. Методики лечения ультразвуком............................. 34
Литература к 1-му разделу............................................ 37
2. Технические методы, лечебных воздействий в лазеротерапии......................................................................... 38
2.1. Фототерапия. Оптические свойства тканей организма..... 38
2.2. Физика лазерного излучения................................... 41
2.3. Лечебное применение лазерного излучения............... 59
2.4. Методики лечения в лазерной терапии..................... 65
2.5. Особенности техники лазеротерапии........................ 71
2.6. Аппараты лазерной терапии.................................... 77
2.7. Измерение мощности и энергии лазерного излучения..... 97
Литература ко 2-му разделу .........................................108
109
Учебное издание
Зайченко Кирилл Вадимович
Кулыгина Лариса Александровна
Гуревич Борис Симхович
Кривохижина Оксана Владимировна
технические методы
лечебных воздействий.
ультразвуковая и лазерная
физиотерапия
Учебное пособие
Редактор В. П. Зуева
Компьютерная верстка Н. Н. Караваевой
Сдано в набор 28.09.11. Подписано к печати 08.1111.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 6,24.
Уч.-изд. л. 6,71. Тираж 100 экз. Заказ № 538.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
110
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
8 665 Кб
Теги
zajchenkokulygina
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа