RU2803000C1 - Способ неинвазивного лазерного облучения крови - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области медицины, в частности к лазерной терапии. Для неинвазивного облучения крови осуществляют сканирование пучком лазерного излучения поверхности кожи пациента в проекции выбранного участка вены. Сканирование осуществляют в направлении кровотока в выбранном участке вены, а скорость сканирования обеспечивают равной скорости кровотока. Способ позволяет осуществить эффективное и безопасное лазерное облучение крови, снизить лучевую нагрузки на кожу и нижележащие ткани при одновременном увеличении дозы лазерного излучения, поглощаемого кровью. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Description

Изобретение относится к области лазерной терапии и может найти широкое применение при лечении заболеваний различной этиологии, в первую очередь, при лечении заболеваний, ассоциированных с бактериальными и вирусными инфекциями, включая коронавирусы, а также при лечении онкологических заболеваний.

Одна из наиболее актуальных медицинских задач, требующая срочного решения, в том числе, в связи с проблемами, выявленными пандемией коронавируса, состоит в обеспечении селективности воздействия лазерного излучения на патогенные вирусы и бактерии при облучении движущейся в венах крови.

Широко известен способ инвазивного лазерного облучения крови, включающий в себя введение в кровеносный сосуд пациента световода, по которому доставляется лазерное излучение (см., например, статью Донцовой Е.В. «Лечебные эффекты низкоинтенсивного лазерного излучения при псориазе», Вестник новых медицинских технологий, 2012, №1 [1]).

Недостатки известного способа состоят в том, что, несмотря на значительную эффективность, он является достаточно травмоопасным (существует возможность травмы стенки сосуда торцом световода, риск скола световода в просвете сосуда) и вызывает риск инфицирования, в результате чего, возникает необходимость в тщательной многоэтапной длительной обработке световода в дезинфицирующих растворах, приводящей к ухудшению оптических свойств волокна и повышению его ломкости.

Для повышения безопасности проведения процедуры инвазивного облучения крови применяют дорогостоящие стерильные одноразовые волоконные световоды с концевыми адаптерами для доставки излучения от лазера в волокно и доставки излучения до крови в кровеносном сосуде (см., например, CN 1103002, МПК A61N 5/06, опубл. 31.05.1995 [2]), что существенно ограничивает применение данного способа.

Известен способ надкожного облучения крови, включающий воздействие на поверхность кожи пациента в проекции кровеносного сосуда непрерывным лазерным излучением (см., например, статью Москвина С.В. и др. «Основные терапевтические методики лазерного освечивания крови», Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры, 2017, №5 [3]).

Недостатки известного способа состоят в том, что кожа в широком диапазоне длин волн обладает высокими показателями поглощения и рассеяния (см., например, статью G. Vargas, E.K. Chan, J.K. Barton, H.G. Rylander, A.J. Welch «Use of an agent to reduce scattering in skin», Lasers in Surgery and Medicine, 1999, 24 (2), pp. 133-141 [4]), что одновременно препятствует проникновению излучения в кровеносный сосуд и существенно разогревает кожу в процессе облучения т.н. «побочной» дозой, что также делает способ травмоопасным и снижает его эффективность.

Известен способ надкожного облучения крови, включающий в себя воздействие на поверхность кожи пациента в проекции кровеносного сосуда наносекундным импульсным лазерным излучением, не оказывающим на ткани повреждающего воздействия (см., например, [3]).

Недостаток известного способа также состоит в его недостаточной эффективности в результате того, что поглощенная доза пропорциональна длительности импульса, а при наносекундных импульсах она невелика. Кроме этого, непрерывное движение крови приводит к постоянному обновлению облучаемого объема крови в кровеносном сосуде с низким коэффициентом поглощения, находящимся, в свою очередь, под слоем кожи с высокими показателями поглощения и рассеяния (см. [4]).

Раскрытый в [3], описанный выше способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании эффективного и безопасного способа лазерного облучения крови.

При этом достигается технический результат, заключающийся в снижении лучевой нагрузки на кожу и нижележащие ткани при одновременном увеличении дозы лазерного излучения, поглощаемого кровью.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа неинвазивного облучения крови, в котором осуществляют сканирование пучком лазерного излучения поверхности кожи пациента в проекции выбранного участка вены. Сканирование осуществляют в направлении кровотока в выбранном участке вены, а скорость сканирования обеспечивают равной скорости кровотока.

В частном варианте сканирование осуществляют посредством иммерсионного контакта фокусирующего оптического элемента лазера или волоконного световода, по которому доставляется лазерное излучение, с поверхностью кожи пациента.

В другом частном варианте сканирование осуществляют дистанционно, без контакта фокусирующего оптического элемента лазера или упомянутого волоконного световода с поверхностью кожи пациента.

В предпочтительном варианте осуществления предварительно выполняют нанесение на кожу пациента над выбранным участком вены иммерсионной жидкости, в частности, глицерина.

В еще одном частном варианте осуществления предварительно в кровь вводят фотосенсибилизатор, в частности, в форме наночастиц.

На фиг. 1 показано схематичное изображение реализации заявленного способа, согласно одному из частных вариантов реализации (контактное сканирование с применением иммерсии).

На фиг. 2 показано схематичное изображение реализации заявленного способа, согласно другому частному варианту реализации (дистанционное сканирование).

На фиг. 3 показаны расчетные кривые зависимости максимальной температуры кожи и крови от времени экспозиции при облучении непрерывным полупроводниковым лазером мощностью 2 Вт на длине волны 808 нм при диаметре пятна лазерного излучения на поверхности кожи 1 мм при статическом облучении (а) и при динамическом сканировании, согласно заявленному способу (b).

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Предварительная пропитка кожи глицерином перед лазерным сканированием

Перед процедурой облучения крови 1, с целью снижения потерь на рассеяние излучения в коже 7, накладывают на поверхность кожи 7 над выбранным участком вены 8 (например, вены предплечья) тампон, смоченный глицерином (или иной иммерсионной жидкостью), и направляют пациента в соседнее помещение для пропитки кожи 7 глицерином в течение 10-20 минут. По истечении указанного времени пациента приглашают в процедурный кабинет, где осуществляют процедуру динамического, контактного или дистанционного, сканирования. Контактное сканирование

Тампон, пропитанный глицерином, удаляют, на обработанную поверхность кожи 7, как показано на фиг. 1, наносят дополнительный (иммерсионный) слой глицерина 6. Затем в иммерсионный контакт с обработанной поверхностью кожи 7 приводят фокусирующий оптический элемент 3 лазера 2 и ориентируют по изображению на экране тепловизора 4 направление сканирования над выбранным участком вены 8 для облучения крови 1 сфокусированным пучком лазерного излучения 5.

В случае использования волоконного световода, по которому доставляется лазерное излучение, в иммерсионный контакт с обработанной поверхностью кожи 7 приводят фокусирующий оптический элемент упомянутого световода (условно не показан).

Фокусирующий оптический элемент 3 может слегка касаться поверхности кожи 7 или находиться на минимальном расстоянии от поверхности кожи 7, но в обоих случаях между ним и поверхностью кожи 7 имеется оптическая связь на иммерсии глицерина. В результате применения иммерсии снижаются потери на рассеяние в коже 7 и потери на отражение от поверхности кожи 7 за счет сужения пучка лазерного излучения 5 при преломлении света в иммерсионном слое глицерина 6.

Дистанционное сканирование

Тампон, пропитанный глицерином, удаляют, поверхность кожи 7 очищают от следов глицерина с помощью тампона, смоченного этиловым спиртом. Сканирование сфокусированным пучком лазерного излучения 5 от лазера 2 поверхности кожи 7 осуществляют с помощью сканирующей системы 3 (см. фиг. 2). Ориентацию пучка лазерного излучения 5 над выбранным участком вены 8 также осуществляют с помощью тепловизора 4.

В обоих случаях осуществляют динамическое сканирование пучком лазерного излучения 5 поверхности кожи 7 в проекции выбранного участка вены 8 для облучения крови 1 в вене 8, при этом сканирование осуществляют в направлении кровотока в выбранном участке вены 8, а скорость сканирования обеспечивают равной скорости кровотока. На фиг. 1 и фиг. 2 стрелками показаны синхронизированные по скорости направление кровотока в выбранном участке вене 8 и направление сканирования пучком лазерного излучения 5. Синхронизацию скорости сканирования со скоростью кровотока осуществляют, в преимущественном варианте реализации, за счет контраста на экране тепловизора 4, который создает движущийся в вене 8 объем крови 1, нагретый за счет поглощения лазерного излучения. Однако могут быть использованы и иные варианты синхронизации, в частности, измерение скорости кровотока может быть осуществлено посредством допплеровского сканирования движущейся по вене 8 крови 1.

Преследуемый пучком лазерного излучения 5, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, облучаемый объем крови 1 непрерывно накапливает дозу облучения, в то время, как кожа 7, получив небольшую дозу облучения, выходит из зоны облучения, и уже новая часть кожи 7 в области сместившегося упомянутого пучка 5 получает дозу облучения. В результате доза облучения, полученная кожей 7, распределяется по большей площади, и лучевая нагрузка на кожу 7 (и нижележащие ткани, в частности, подкожный слой жира) снижается пропорционально отношению длины участка сканирования к диаметру пучка лазерного излучения 5.

Были произведены расчеты динамики изменения температуры тканей, включая кожу и подкожный слой жира, и вены, наполненной движущейся кровью, на основе объединенной модели для источника, имеющего профиль распределения интенсивности излучения I₀ в пятне радиусом R₀=0,5 мм при мощности излучения Р₀ (1). Численно решались уравнения Бугера-Ламберта-Бера (2), нестационарное уравнение теплопроводности с тепловыми источниками (3), а также уравнение переноса тепла в ламинарном потоке жидкости при наличии источника тепла (4).

где

z - глубина проникновения излучения;

α - коэффициент поглощения;

T - температура;

t - время облучения;

D - температуропроводность;

Q - объемная плотность поглощенной мощности излучения;

ρ - плотность крови;

С - теплоемкость;

u - скорость потока крови;

k - коэффициент теплопроводности.

Расчеты показали, что при увеличении времени экспозиции температура кожи 7 не возрастает, в отличии от температуры облучаемой крови 1 (см. фиг. 3, b), что выгодно отличает заявленный способ от способов статического облучения, используемых ранее, в том числе, ближайшего аналога (см. фиг. 3, а).

Кровь 1 облучают только во время сканирования, т.е. только во время перемещения пятна лазерного излучения по поверхности кожи 7 в проекции выбранного участка вены 8 в направлении кровотока в нем. Во время возврата пучка лазерного излучения 5 в исходную точку лазер 2 отключают. Скорость возврата в исходную точку может быть выше, равной или ниже скорости сканирования, скорость возврата определяет периодичность следования по вене 8 облученных и необлученных объемов крови 1.

Оценка показывает, что при объеме крови 1 в организме человека около 5 литров, полное облучение всей крови 1 можно получить за 5-7 часов процедуры.

Мощность пучка лазерного излучения 5 можно адаптивно регулировать в безопасном для кожи 7 и нижележащих тканей диапазоне, а форму пятна лазерного излучения на поверхности кожи 7 можно формировать требуемой площади и формы для получения заданной плотности поглощенной мощности лазерного излучения и времени проведения процедуры.

В частности, для повышения производительности заявленного способа, пучок лазерного излучения 5 может иметь форму, близкую к прямоугольнику, с ориентацией длинной стороны вдоль вены 8 и размером короткой стороны, меньшим диаметра вены 8. В этом случае снижение «побочной» дозы, полученной кожей 7, будет пропорционально отношению длины участка сканирования к длине пятна лазерного излучения в направлении вдоль вены 8.

Технический результат обеспечивается, как при облучении чистой крови 1, так и при облучении крови, сенсибилизированной фотосенсибилизатором, имеющим высокий коэффициент поглощения на длине волны лазерного излучения, что наиболее актуально в случае противовирусной терапии. Фотосенсибилизатор может быть введен в организм пациента внутривенно, методом аппликации или перорально. В качестве фотосенсибилизатора может быть использован фотосенсибилизатор в форме наночастиц, в частности, наночастиц кремния, имеющих высокий коэффициент поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне спектра.

Эффективность применения наночастиц как фотосенсибилизирующих агентов связана с тем, что вирусы имеют значительно более развитую по сравнению с клетками крови поверхность, в частности, за счет шипов протеинов (см., например, статью Н.А. Davies, M.R. Macnaughton «Comparison of the morphology of three coronaviruses», Archives of Virology, 1979, 59 (1-2) [5]), к которым могут крепиться наночастицы, выступая в роли агентов, поглощающих лазерное излучение, благодаря чему облучение крови, сенсибилизированной наночастицами, вызывает селективное повреждение липидной оболочки патогенных вирусов и их гибель.

Claims (7)

1. Способ неинвазивного облучения крови, включающий воздействие на поверхность кожи пациента в проекции вены лазерным излучением, отличающийся тем, что осуществляют сканирование пучком лазерного излучения поверхности кожи пациента в проекции выбранного участка вены, при этом сканирование осуществляют в направлении кровотока в выбранном участке вены, а скорость сканирования обеспечивают равной скорости кровотока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сканирование осуществляют посредством иммерсионного контакта фокусирующего оптического элемента лазера или волоконного световода с поверхностью кожи пациента.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сканирование осуществляют дистанционно.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что предварительно осуществляют нанесение на кожу пациента над выбранным участком вены слоя иммерсионной жидкости.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве иммерсионной жидкости выбирают глицерин.

6. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что предварительно в кровь вводят фотосенсибилизатор.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве фотосенсибилизатора выбирают фотосенсибилизатор в форме наночастиц.