Введение к работе
Актуальность работы. В спектре бисмедицинских применений лазерной техники фототерапия занимает одно из ведущих мест. Методы лазерной фототерапии отличаются разнообразием и динамизмом развития. Они базируются на биостимулирующем эффекте, коагуляции тканей, избирательном фотодермолизе, гипертермическом и фотодинамическом эффектах. В широком понимании фототерапия включает свыше сотни направлений. К важнейшим можно отнести низкоинтенсивную лазеротерапию, поверхностную и эндоскопическую коагуляцию новообразований, удаление сосудистых и пигментных повреждений кожи, лазерную эпиляцию, внутритканевую и фотодинамическую терапию. Метод фотодинамической терапии (ФДТ) в настоящее время наибольшее распространение получил в онкологии и начинает применяться для лечения вирусных заболеваний, атеросклероза и кожных патологий.
Метод ФДТ использует фотохимическое воздействие на ткань, созданного за счет введения препарата-фотосенсибилизатора. Фотоактивация последнего служит для возбуждения фотодинамической реакции высокой интенсивности, разрушающей сенсибилизированные препаратом клетки ткани.
Метод ФДТ предъявляет к лазерному источнику вполне конкретные требования:
-длина волны излучения должна совпадать с полосой поглощения используемого фотосенсибилизатора и, как правило, в области максимальной прозрачности ткани (красный и ближний ИК диапазон),
-излучение должно поступать в ткань при плотности мощности до 0,2-0.5 Bi см", не вызывающей дополнительного нагрева ткани до сообщения рабочей зоне плотности энергии до 200-600 Дж/см2.
Обеспечение этих параметров обычно требует средней мощности лазера в несколько Ватт. Таким образом, для метода ФДТ целесообразно создание лазерного источника, сочетающего относительно высокий уровень средней мощности и возможностью перестройки его длины волны в красной и ближней инфракрасной части спектра. Одним из \стройств, обеспечивающих эти качества, является лазер на растворах красителей (ЛРК), оптически накачиваемый от лазера на парах меди (ЛПМ). Сочетание ЛРК-ЛПМ обладает рядом неоспоримых достоинств: -ЛПМ является эффективным и надежным источником мощного импульсно-периодического излучения в желто-зеленом диапазоне 511,578 нм.
-Выпускается параметрический ряд отпаянных активных элементов ЛПМ с уровнями средней мощности от 1 до 35 Вт.
-Импульсный режим генерации ЛПМ позволяет легко преодолевать порог генерации ЛРК и получать высокую эффективность преобразования (до 30%) в диапазоне 580-700 нм.
Вместе с тем на момент начала работы, известные устройства ЛРК-ЛПМ были ориентированы в основном на задачи спектроскопии и лабораторной фотохимии. В них использовались сложные оптико-механические решения, ориентированные на получение высокомонохроматичного излучения, возможности его оперативной и идентифицируемой перестройки. Конструкции жидкостных активных элементов ЛРК с прокачкой раствора отличались сложностью и ограниченной надежностью. Проблема фотодеградации красителя решалась методом его избыточного резервирования. Поэтому актуальна
была комплексная разработка устройства ЛРК-ЛПМ, предназначенного для биомедицины.
Первоначально была выбрана ориентация не на традиционные прокачные конструкции ЛРК, а на малогабаритные герметичные жидкостные элементы, использующие более простые и эффективные способы тепломассобмена, в частности за счет конвекции при вращении. Такая конструкция занимает промежуточное место между ЛРК с прокачной системой и ЛРК с применением сканируемых твердотельных матриц с внедренными молекулами красителя и может аккумулировать их достоинства. Она позволяет, с одной стороны, использовать простые эффективные резонаторные структуры, с другой стороны, изменяет и упрощает технологию эксплуатации фотонестабильных растворов красителей за счет возможности быстрой смены кюветы и ее перезарядки.
Создание фототерапевтической установки ЛРК-ЛПМ требует также решения проблем управления излучениями ЛРК и ЛПМ, его согласования со световодом, разработки адекватной оптико-механической конструкции сервисных электронных блоков. Цель работы. Проведение комплекса расчетно-экспериментальных исследований, направленных на создание специализированного лазера на растворах красителей с накачкой лазером на парах меди и фототерапевтической установки на их основе. В рамках этой цели было необходимо решить следующие задачи:
-выявить возможность использования жидкостной вращаемой жидкосной кюветы в качестве активного элемента лазера на красителе, -установить оптимальные параметры подобного лазера при накачке лазером на парах меди,
-исследовать характеристики генерации ряда. красителей и выявить наиболее эффективные и фотостойкие,
-разработать на базе созданной лазерной структуры фототерапевтическую установку.
Научная новизна работы. Научная новизна состоит в предложенном принципе действия ЛРК, в котором раствор красителя заключен в оптическую кювету, вращаемую под лучем импульсной когерентной накачки, теоретическом и экспериментальном обосновании его работоспособности при накачке излучением ЛПМ, в результатах реализации медицинской установки ЛРК-ЛПМ и некоторых результатах биофизических и медицинских исследований воздействия излучения. Положения, выносимые на защиту.
-
Возможность генерации излучения высокой средней мощности в растворе красителя с большим термооптическим коэффициентом, заключенным в зазор вращаемой оптической кюветы, находящейся под действием излучения накачки, подвергающим непосредственному нагреву кольцевую зону слоя раствора в зазоре кюветы, связана с формированием в этой зоне дополнительного локального тепло-массопереноса конвективной природы, поддерживающего достаточную оптическую однородность зоны накачки. При отсутствии этого тепло-массопереноса (при малых зазорах) генерация отсутствует.
-
Обеспечение долговременной стабильности генерации кюветы с фотонестабильными красителями связано с сохранением прозрачности внутренних оптических поверхностей кюветы в зоне накачки за счет обнаруженного эффекта самоочистки (нарушения адгезии продуктов фоторазложения красителя), осуществляемого
непосредственно излучением накачки в режиме эксплуатации. При этом самоочистка начинается с уровней импульсной плотности мощности накачки (порядка 106 Вт/см ) вплоть до порога разрушения загрязненного стекла (порядка 109 Вт/см2).
3. Широкополосная генерация растворов красителей во вращаемой
кювете наиболее эффективна в схеме с продольной накачкой при
использовании устойчивого резонатора, поперечные размеры
перетяжки которого совпадают с размерами поля излучения накачки,
сфокусированного до импульсной плотности мощности порядка 5-
10'107 Вт/см2.
4. Достаточная для получения фотодинамического некроза доза
световой энергии при точности >настройки длины волны излучения
порядка 1-3 нм на длинноволновый максимум поглощения препарата
"Фотогем" (порядка 630 нм) не зависит от ширины линии излучения
вплоть до величины 10-15 нм.
Практическая ценность. Выполненная работа служит научно-технической базой разработки лазерных фототерапевтических установок серии "Яхрома". Автор являлся научным руководителем данной работы. В ходе проведенных НИОКР разработаны три типа установок. На устройство "Яхрома-2" создан полный комплект конструкторско-технологической документации; Установка прошла технические и медицинские испытания и разрешена к применению Комитетом по новой медицинской технике МЗ РФ( (регистрационное удостоверение МЗМП РФ №29-199/267-25 от 31.03.94г). Выпущены мелкосерийные партии установок "Яхрома" (6 шт.) и "Яхрома-2" (11 шт.).Установки поставлены в ряд ведущих учреждений страны, включая РОЫЦ РАМН им. Н.Н.Блохина, Государственный научный центр лазерной медицины МЗРФ, МНИОИ им. П.А. Герцена,
МОНИКИ. 6 клиническую больницу скорой помощи г. Москвы, ММСИ им. Н.Л. Семашко.
С использованием установок пройдены первые этапы внедрения фотодинамической терапии в отечественную клиническую практику. Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались ка 12 конференциях, в число которых входят "Лазерная техника и ее применение в медицине" (Москва, 1984), IX Всесоюзная конференция ''Современные тенденции развития медицинского приборостроения" (Москва, 1987), Всесоюзная конференция "Применение лазеров в клинике и эксперименте (Москва, 1987), Конференция "Лазеры и медицина" (Москва, 1989), Международная конференция по фотодинамической терапии и лазерной медицине (Пекин, Китай, 1991), Международная конференция SPIE (Лос-Анжелес, США, 1992), Конференция "Перспективные направления лазерной медицины (Москва, 1992), Конференция "Новые направления лазерной медицины" (Москва, 1996), VII, VIII, IX Конференциях "Лазеры в науке, технике и медицине" (Москва, 1996-1998), Конференции BIOS Europe'96 (Вена, Австрия, 1996), Конференции LPHYS'98 (Берлин, Германия, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 39 печатных работ, включая 10 изобретений.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы из 91 наименования. Объем диссертации включает 120 страниц текста и 29 рисунков и 7 таблиц.
