Способ и устройство для экстракорпоральной и внутрисосудистой фотомодификации крови модулированным лазерным излучением.

Способ и устройство для экстракорпоральной и внутрисосудистой фотомодификации крови модулированным лазерным излучением.

В настоящее время в большинстве стран мира наблюдается интенсивное внедрение лазерного излучения в биологических исследованиях и в практической медицине. Уникальные свойства лазерного луча открыли широкие возможности его применения в различных областях: хирургии, терапии и диагностике. Клинические наблюдения показали эффективность лазера ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектров для местного применения на патологический очаг и для воздействия на весь организм. В России лазеры применяются в биологии и медицине уже более 30 лет. Доказано, что низко интенсивное лазерное излучение обладает выраженным терапевтическим действием.

Лазер или оптический квантовый генератор - это техническое устройство, испускающее свет в узком спектральном диапазоне в виде узконаправленного, высоко когерентного монохроматического, поляризованного излучения электромагнитных волн.

В зависимости от характера взаимодействия лазерного света с биологическими тканями различают три вида фото биологических эффектов:

1. Фотодеструктивное воздействие, при котором тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты света вызывают деструкцию тканей. Этот вид лазерного взаимодействия использует в лазерной хирургии.
2. Фотофизическое и фотохимическое воздействие, при котором поглощенный биотканями свет возбуждает в них атомы и молекулы, вызывает фотохимические и фотофизические реакции. На этом виде взаимодействия основывается применение лазерного излучения как терапевтического.
3. Невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не меняет своих свойств, в процессе взаимодействия со светом. Это такие эффекты, как рассеивание, отражение, пропускание и поглощение. Этот вид используют для диагностики (например - лазерная спектроскопия).

Фотобиологические эффекты зависят от параметров лазерного излучения: длинны волны, интенсивности потока световой энергии, времени воздействия на биоткани.

В лазеротерапии применяются световые потоки низкой интенсивности, не более 10 мВт/см кв., что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхности Земли в ясный день. Поэтому такой вид лазерного воздействия называют низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ), в англоязычной литературе Low Level Laser Therapy (LLLT).

Одной из важных характеристик лазерного излучения является его спектральная характеристика или длинна волны. Фотобиологической активностью обладает свет в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Фотобиологические процессы достаточно разнообразны и специфичны. Их насчитывается в настоящее время несколько десятков. В их основе лежат фотофизические и фотохимические реакции, возникающие в организме при воздействии света. Фотофизические реакции обусловлены преимущественно нагреванием объекта до различной степени (в пределах 0.1-0.3 С) и распространением тепла в биотканях. Разница температуры более выражена не биологических мембранах. что ведет к оттоку ионов Na+ и K+, раскрытию белковых каналов и увеличению транспорта молекул и ионов. Фотохимические реакции обусловлены возбуждением электронов в атомах, поглощающего свет вещества. На молекулярном уровне это возбуждение иногда проходит вплоть до фотоионизации вещества, его восстановления или фотоокисления, фотодиссоциации молекул, в их перестройке - фотоизомеризации.

Уже первые исследования показали, что лазерная радиация избирательно поглощается содержащимися в клетках пигментными веществами. Пигмент меланин поглощает свет наиболее активно в фиолетовой области, порфирин и его производные - красный, так оксигемоглобин поглощает в диапазоне 542 и 546 nm, восстановленный гемоглобин в диапазоне 556 nm, а фермент каталаза - 628 nm. Учитывая ключевую роль каталазы во многих звеньях энергообразования, можно понять широкий лечебный диапазон гелий - неонового лазера (ГНЛ) и его универсальное нормализующее воздействие на биологические процессы в организме.

Поглощение лазерной энергии происходит и различными молекулярными образованиями не имеющими специфических пигментов и фотобиологических мишеней. Вода поглощает видимый свет и красную часть спектра. Это меняет у мембран структурную организацию водного слоя и изменяет функцию термолабильных каналов мембран.

В биологических структурах организма существуют собственные электромагнитные поля и свободные заряды, которые перераспределяются под влиянием фотонов излучения ГНЛ, что ведет к прямой "энергетической подкачке" облучаемого организма.

Первичные химические реакции сопровождаются появлением свободных радикалов, в небольшом количестве, которые в свою очередь запускают процессы окисления биосубстратов, имеющих цепной характер. Этот момент позволяет понять переключающий (тригерный) механизм многократного усиления первичного эффекта НИЛИ.

Таким образом, в основе механизма воздействия на ткани, маломощных лазеров в видимой и инфракрасной областях лежат процессы, происходящие на клеточном и молекулярном уровнях.

Низкоинтенсивное лазерное излучение стимулирует метаболическую активность клетки. Стимуляция биосинтетических процессов может быть одним из важных моментов, определяющих действие низкоинтенсивного излучения лазера на важнейшие функции клеток и тканей, процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления).

ГНЛ приводит к увеличению содержания в ядрах клеток человека ДНК и РНК, что свидетельствует об интенсификации процессов транскрипции (делений). Это первый этап процесса биосинтеза белков. В связи с этим возникает вопрос о запуске мутаций. Однако доказано, что частота хромосомных мутаций в клетках человека вызванных химическими мутагентами, при воздействии ГНЛ уменьшается. ГНЛ оказывает антимутагенный эффект, активизирует синтез ДНК и ускоряет восстановительные процессы в клетках подвергнутых потоку нейтронов или гамма - радиации. Это позволяет использовать лазерное излучение в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине, как профилактический, так и лечебный фактор в комбинации с медикаментами.

НИЛИ стимулирует выработку универсального источника энергии АТФ (АТР) в митохондриях, ускоряет скорость его образования, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. В то же время количество потребляемого кислорода уменьшается. Происходят перестройки в мембранах митохондрий. НИЛИ оказывает антиоксидантный эффект. Известно, что интенсивность свободнорадикального окисления в липидной фазе мембран мембран клеток определяется соотношением насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкостью липидной компоненты мембран, которые меняются при лазерной терапии, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембраносвязанных ферментов.

Обобщая данные современных исследований можно сказать, что НИЛИ вызывает активацию энергосвязывающих процессов в патологически измененных тканях с нарушением метаболизма, повышение активности важнейших ферментов, снижение потребления кислорода тканями с повышением (фосфорилирующей) активности митохондрий, обогащением их энергией, усиление интенсивности гликолиза (образования гликогена) в тканях и другие. Вторичные эффекты представляют собой комплекс адаптационных и компенсаторных реакций возникающих в результате реализации первичных эффектов в тканях, органах и целостном живом организме.

Различают следующие основные способы доставки НИЛИ к пациенту:

Наружное воздействие: орган, сосуды, нервы, болевые зоны и точки облучаются через неповрежденную кожу в соответствующей области тела. Если патологический процесс локализован в поверхностных слоях кожи, то лазерное воздействие направленно непосредственно на него. Наружное воздействие основывается на том, что лазерное излучение ближней инфракрасной области хорошо проникает через ткани на глубину до 5-7 см. и достигает пораженного органа. Доставка излучения к поверхности кожи осуществляется либо непосредственно излучающей головкой, либо с помощью волоконного световода и световодной насадки.

Воздействие на точки акупунктуры. Показания для этого метода достаточно широки. Лазерная рефлексотерапия бескровна, безболезненна, комфортна. Доставка лазерного излучения к точке осуществляется либо световодным волокном, либо непосредственно излучающей головкой со специальной насадкой.

Внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК) проводится путем пункции в локтевую вену или в подключичную вену. В вену вводят тонкий световод, через который облучается протекающая по вене кровь. Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области (632.8 nm) и в инфракрасной (1264 nm).

Глубина проникновения низкоэнергетического лазерного излучения в биообъект зависит, в первую очередь, от длины электромагнитной волны. Экспериментальными исследованиями установлено, что проникающая способность излучения от ультрафиолетового до оранжевого диапазона постепенно увеличивается от 1-20 мкм до 2,5 мм, с резким увеличением глубины проникновения в красном диапазоне (до 20-30 мм), с пиком проникающей способности в ближнем инфракрасном (при длине волны = 950 нм - до 70 мм) и резким снижением до долей миллиметра в дальнейшем инфракрасном диапазоне. Максимум пропускания кожей электромагнитного излучения находится в диапазоне длинных волн от 800 до 1200 нм.

Поглощение низкоэнергетического лазерного излучения зависит от свойств биологических тканей. Так в диапазоне длин от 600 до 1400 нм кожа поглощает 25-40% излучения, мышцы и кости - 30-80%, паренхиматозные органы (печень, почки, поджелудочная железа, селезенка, сердце) - до 100%.

В эксперименте с лиотропными жидкокристаллическими системами, которые по степени упорядоченности и структурной сложности приближаются к биологическим гуморальным средам и обладают уникальной чувствительностью к слабым внешним возмущениям различной физической природы, установлено, что воздействие низкоэнергетического лазерного воздействия гелий-неонового лазера (длина волны =633нм) индуцирует в этих системах структурно-оптические эффекты. Аналогичные результаты были получены и при лазерном облучении плазмы крови и синовиальной жидкости. Следовательно, биожидкости обладают структурной альтерацией, а структура биораствора может играть роль матрицы, на которой протекают все биохимические реакции. Накопление в биосистеме участков с измененной структурой вызывает неспецифическую модификацию энергетики и кинетики метаболических процессов, протекающих в водной матрице биожидкости, и последующие эффекты "биостимуляции".

Образование продуктов фотолиза (первичных фото продуктов и первичных стабильных химических продуктов), вызывает изменение вследствие этих и других реакций pH внутренней среды участка лазерного воздействия и инициирует физиолого-биохимические процессы, запускает различные биологические реакции, многие из которых определены и детализированы клинико-экспериментальными исследованиями.

При изучении изменений содержания нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) в ядрах клеток различных тканей человека под действием низкоэнергетического лазерного излучения определено достоверное увеличение биосинтеза этих кислот, а также увеличение митохондрий и рибосом, что свидетельствует об активизации ядерного аппарата, системы ДНК-РНК-белок и биосинтетических процессов в клетках.

Анализ фотоиндуцированных изменений активности ферментов дает ценную информацию о первичных биохимических механизмах стимулирующего действия излучения на функциональную активность клетки. Исследование активности НАДН- и НАД+ -глутаматдегидрогеназы, изоферментов аспрататаминотрасферазы, функционирующих на стыке обмена белков и углеводов, а также ферментов цикла трикарбоновых кислот, свидетельствуют об увеличении активности этих ферментов при воздействии стимулирующими дозами низкоэнергетического лазерного излучения, что в свою очередь активизирует окислительно-восстановительные процессы. Дальнейшие исследования показали, что стимуляция биоэнергетических ферментов приводит к увеличению в тканях АТФ.

Низкоэнергетическое лазерное облучение биообъекта вызывает в тканях и органах различные эффекты, связанные с непосредственным и опосредованным действием электромагнитных волн оптического диапазона. Непосредственное действие появляется в объеме тканей, подвергшихся облучению. При этом лазерное излучение взаимодействует с фотоакцепторами, запуская весь комплекс фотофизических и фотохимических реакций. Помимо фотоакцепторов на прямое воздействие электромагнитных волн реагирует также и различные молекулярные образования, в которых происходит нарушения слабых атомно-молекулярных связей, что в свою очередь дополняет и усиливает эффект непосредственного влияния лазерного облучения.

Опосредованное действие связано либо с трансформацией энергии излучения и ее дальнейшей миграцией, либо с передачей этой энергии или эффекта от ее воздействия различными путями и способами. Основными проявлениями этого действия могут быть переизлучение клетками электромагнитных волн, передача эффекта воздействия низкоэнергетического лазерного излучения через жидкие среды организма, либо передача энергии этого излучения по каналам рефлексотерапии. Экспериментально было установлено, что при лазерном облучении in vitro клеточного монослоя происходит переизлучение этими клетками электромагнитных волн длиной, равной длине волны первичного излучения, на расстоянии до 5 см.

Поскольку действующее на биообъект лазерное излучение является энергетическим фактором, то в результате непосредственного и опосредованного влияния происходит, в первую очередь изменение энергетических параметров внутренний среды организма. Это и образование электронных возбужденных состояний биомопекул, и проявление внутреннего фотоэлектрического эффекта, и изменение энергетической активности клеточных мембран, и другие процессы, связанные с миграцией энергии электронного возбуждения.

Показано, что ВЛОК стимулирует иммунный ответ организма, повышает эритропоэз, улучшает деформируемость мембран эритроцитов, оказывает антигипоксическое действие на ткани и общее антитоксическое на организм при различных патологических процессах. Под влиянием ВЛОК отмечены повышение фагоцитарной активности макрофагов, снижение концентрации микробных тел в экссудате из брюшной полости у больных с перитонитом, снижение воспалительных проявлений заболевания, активация микроциркуляции. По мнению Н.Ф. Гамалеи, применение ВЛОК показано при сахарном диабете, заболеваниях щитовидной железы, рассеянном склерозе, коллагенозах, хроническом бронхите, бронхиальной астме, заболеваниях органов пищеварения (гиперацидный гастрит, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, неспецифический язвенный колит), остром серозном пиелонефрите, гнойно-септических осложнениях в хирургической практике, хроническом кохлеите, заболеваниях пародонта, ИБС. С учетом опыта других авторов, перечень показаний к применению ВЛОК может быть существенно расширен.

Воздействие лазерного излучения на кровь сопровождается активацией неспецифических механизмов противоинфекционного иммунитета, о чем свидетельствует усиление бактерицидной активности сыворотки крови и системы комплемента, снижение уровня С-реактивного белка, уровня средних молекул и токсичности плазмы, возрастание в сыворотке крови содержания IgA, IgM и IgG , а также изменение уровня циркулирующих иммунных комплексов. Имеются данные о стимулирующем влиянии ВЛОК на клеточное звено иммунитета: увеличивается количество лимфоцитов и изменяется их функциональная активность, возрастает способность Т-лимфоцитов к розеткообразованию, увеличивается ДНК - синтетическая активность лимфоцитов, стабилизируется соотношение субпопуляции Т-хелперов/Т-супрессоров [Гамалея Н.Ф и др., 1991].

Лечебный эффект ВЛОК обусловлен его способностью оказывать иммунокорригирующее действие путем нормализации межклеточных взаимоотношений субпопуляции Т-лимфоцитов и увеличения количества иммунокомпетентных клеток в крови. Это в свою очередь повышает функциональную активность В-лимфоцитов, усиливает иммунный ответ, снижает тяжесть интоксикации и улучшает состояние больных [Сергиевский B.C. и др., 1991].

ВЛОК способствует улучшению реологических показателей крови, повышению текучести и активизации транспортных функций, что сопровождается повышением содержания кислорода, а также уменьшением парциального напряжения углекислого газа. Увеличивается артерио-венозная разница по кислороду, что свидетельствует о ликвидации тканевой гипоксии и улучшении оксигенации; это является признаком нормализации тканевого метаболизма. В основе лечебного эффекта ВЛОК лежит, с одной стороны, воздействие на гемоглобин и перевод его в более выгодное конформационное состояние для транспорта кислорода. Увеличение переноса кислорода повышает метаболизм тканей организма. С другой стороны, лазерное излучение повышает образование АТФ и энергообразование в клетках [Крюк А.С. и др., 1986].

ВЛОК снижает и агрегационную способность тромбоцитов, активирует фибринолиз, что приводит к увеличению скорости периферического кровотока и улучшению оксигенации тканей. Улучшение микроциркуляции и утилизации кислорода в тканях при использовании ВЛОК тесно связано и с положительным влиянием квантовой гемотерапии на обмен веществ: возрастает окисление энергетических материалов - глюкозы, пирувата, лактата.

Улучшения в системе микроциркуляции обусловлены вазодилатацией и изменением реологических свойств крови за счет снижения ее вязкости, уменьшения агрегантной активности эритроцитов вследствие изменения их физико-химических свойств, в частности повышения отрицательного электрического заряда. В результате достигается активация микроциркуляции, раскрытие капилляров и коллатералей, повышение трофики, нормализация нервной возбудимости [Кипшидзе Н.Н. и др., 1993].

Методом сканирующей электронной микроскопии И.М. Байбеков с соавт. (1991) показали, что действие лазерного излучения на эритроциты способствует стабилизации их клеточной мембраны и сохранению функциональной полноценности, что благоприятствует улучшению циркуляции их в сосудах микроциркуляторного русла при патологических состояниях.

ВЛОК применяется при подготовке больного к операции и в послеоперационном периоде, так как оказывает не только обезболивающий эффект, но и спазмолитическое и бронхолитическое действие. Оно полезно при лечении больных с функциональными нарушениями, что имеет большое значение в раннем послеоперационном периоде [Авруцкий М.Я., 1993]. М.Ф. Макеев (1986), применив ВЛОК у больных с непроходимостью желчевыводящих путей, установил, что оно способствует более быстрому восстановлению функции печени и уменьшению количества осложнений в послеоперационном периоде. Отмечена более быстрая динамика ряда клинических показателей: уменьшение болей в животе, восстановление перистальтики, нормализация температуры тела, уменьшение размеров печени, регрессия симптомов холестаза. Однако на фоне цирроза печени применение этого метода было малоэффективным. Б.Р. Бабаджанов с соавт. (1989) сообщили о положительных результатах применения ВЛОК у больных панкреонекрозом в целях профилактики гнойно-септических осложнений. Н.М. Шелыгина, И.А. Зарембо (1989) применили ВЛОК у больных с бронхоэктатической болезнью. В результате лечения выявлено увеличение уровня общего белка в сыворотке крови, повышение содержания альбуминов, снижение количества лейкоцитов и увеличение числа эритроцитов, быстрое купирование жалоб, уменьшение кашля, одышки, интенсивности болей в грудной клетке; нормализация сна.

Чрескожное (транскутанное) лазерное облучение крови

Наряду с внутривенным инвазивным облучением крови в настоящее время широко применяется также метод чрескожного (транскутанного) лазерного облучения крови.

Возможность местного чрескожного воздействия на кровь базируется на том, что лазерное излучение в ИК области сравнительно хорошо проникает через кожный покров на глубину до 50-70 мм и может достичь кровь, протекающую в вене, артерии или микроциркуляторном русле. Проникающая способность красного лазерного излучения намного меньше, однако, при применении лазерного излучения с мощностью более 10 мВт контактным методом по проекции крупной вены создаются условия, позволяющие проводить неинвазивное облучение крови.

Многие исследователи подтверждают высокую эффективность метода при лечении целого ряда патологий. Некоторые предлагают отказаться от инвазивных методик лазерной терапии и полностью перейти на применение чрескожного облучении крови. Однако, несмотря на простоту метода, полное отсутствие болевых ощущений, исключение контакта с кровью и прочие преимущества, данный метод не смог полностью заменить собой метод инвазивного внутривенного лазерного облучения крови. Возможно, причина заключается в несколько большей эффективности инвазивной методики, по крайней мере, у части больных.

При всей схожести метод внутривенного и транскутанного облучения крови далеко не идентичны. При внутривенном облучении крови происходит облучение крови и сосудистой стенки. Лазерная энергия, поглощенная тканями за пределами сосудистого русла, минимальна. При транскутанном облучении крови ситуация обратная. До крови доходит лишь малая часть световой энергии от лазерного аппарата. Лазерный луч в тканях по причине многочисленных отражений быстро теряет когетентость и поляризованность, становится расфокусированным. Кроме того, лазерному облучению подвергается определенный объем тканей, включающих все слои кожи, сосуды, нервы, лимфатические узлы, даже мышцы и кости. Точки акупунктуры также могут подвергаться облучению. Важно отметить, что облучение разных отделов кожи может приводить к облучению различных структур. На фоне всего этого имеет место и облучение крови. Брилль Г.Е. (1994), рассматривая вопросы терминологии и механизмов действия, предлагает четко указывать зону облучения, а не только сообщать о транскутанном облучении крови. Он справедливо указывает на выраженный эффект лазерного облучения кожи, который может превалировать при транскутанном методе облучения крови.

Но, несмотря на неоднозначность механизмов действия, чрескожное воздействие красным или инфракрасным лазером широко применяется для неинвазивного лазерного облучения крови в кубитальной вене, особенно у детей, а также у больных, которым инвазивное облучение крови технически трудноосуществимо.

А.С.Крюк и др. (1986) оценил стимулирующую эффективность низкоинтенсивного лазерного излучения различных длин волн в видимой области спектра, проводя сравнение действия света гелий-неонового (632,8 нм - красный) и гелий-кадмиевого (441,6 нм - синий) лазеров. Была показана высокая биологическая активность излучения гелий-кадмиевого лазера, а также повышение терапевтической активности при последовательном применении лазеров красного и синего диапазонов.

H.Kost et al. (1986) предложил облучать кровь синим светом для лечения больных с ИБС и гипертонической болезнью, при этом было установлено снижение концентрации в крови ЛПНП.

В.И.Карандашов и др. (1997, 1998, 2000) исследовал влияние экстракорпорального облучения крови синим светом на реологические характеристики крови, на свертывающую систему крови, биологические, иммунологические, клинические показатели у больных с ИБС, облитерирующим атеросклерозом артерий нижних конечностей, нарушением мозгового кровообращения, бронхиальной астмой, хроническим обструктивным бронхитом. Облучение крови синим светом оказалось эффективным методом для нормализации реологических показателей. Эффекты облучения крови синим светом превосходили таковые при лазерном (632,8 нм) и ультрафиолетовом облучении крови, а также при применении препаратов пентоксифиллина для улучшения реологии крови. Показано также позитивное влияние облучения крови синим светом на другие исследованные клинико-лабораторные параметры.

Гаспарян Л.В. (2000) сообщил об опыте применения внутривенного облучения крови синим светом при лечении нейросенсорной тугоухости, облитерирующего атеросклероза артерий нижних конечностей, гнойно-воспалительных процессов, хронических простатитов с весьма обнадеживающими клинико-лабораторными результатами. Методика внутривенного облучения крови с применением одноразовых стерильных световодов имеет ряд преимуществ перед методиками экстракорпорального облучения, позволяет обходиться без применения антикоагулянтов и инструментария многоразового применения. В дальнейших работах (Гаспарян Л.В. и др., 2003) были приведены данные влиянии светодиодного излучения синего цвета на функциональную активность тромбоцитов. Было показано выраженное влияние светового облучении крови in vitro, которое приводило к достоверному угнетению агрегационной активности тромбоцитов.

Гаспарян Л.В., Брилль Г.Е. Провели исследования по влиянию НИЛИ на миграцию стволовых клеток («АКТИВАЦИЯ МИГРАЦИИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК IN VITRO ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ».) В исследованиях показана высокая миграционная способность стволовых клеток костного мозга в область повреждения. С учетом роли стволовых клеток в процессах репарации и регенерации, авторами была выдвинута гипотеза о возможном повышении функциональной активности стволовых клеток при воздействии НИЛИ. Результаты исследования подтвердили гипотезу о чувствительности стволовых клеток к лазерному излучению. Активация направленной миграцию стволовых клеток по градиенту SDF-1a после лазерного облучения открывает перспективы для более широкого применения лазерного излучения в трансплантологии и гематологии.

Анимация откроется в новом окне

Молекулярное рассеяние света является важнейшим методом исследования вещества, и, прежде всего, исследованием его акустических и фотоупругих свойств.[1]. Интенсивность молекулярного рассеяния света на несколько порядков меньше интенсивности падающего на объект исследования света. Поэтому для этих исследований необходимы чувствительные приемники излучения и достаточно интенсивные источники излучения.

С появлением лазеров-источников мощного монохроматического излучения оптического диапазона длин волн- метод молекулярного (рассеяние света на акустических волнах, возбуждаемых в исследуемых объектах теплом окружающей среды, принято называть Мандельштам-Бриллюэновским рассеянием света) рассеяния света широко применяется в экспериментальной физике [2],[3].

Применительно к исследованию жидких сред обычно в спектрах рассеянного света наблюдают центральную (несмещенную компоненту рассеянного света), обусловленную Релеевским рассеянием света на энтропийных (температурных) флуктуациях рассеивающей среды, а также наблюдают симметрично расположенные относительно несмещенной компоненты две смещенные компоненты -стоксовую и антистоксовую (компоненты Мандельштама-Бриллюэна), обусловленные рассеянием света на адиабатических флуктуациях исследуемой среды [1]. Для целей исследования объектов биологической природы требуются спектрометры с аппаратной функцией не более нескольких десятков мегагерц. Аппаратная функция оптических спектрометров, применяемых для наблюдения спектров молекулярного рассеяния, в лучшем случае составляет порядка нескольких сотен мегагерц. Поэтому для биологических объектов разрабатываются электронные спектрометры, имеющие ширину аппаратной функции нескольких десятков и даже единиц герц.

Для этого используется техника фотоэлектрического смешения с применением фотоумножителя. Поскольку фотоумножители реагируют на квадрат напряженности электрического поля падающего на него света, фототок содержит частотные компоненты, являющимися линейными комбинациями частот, присутствующих в свете. То есть, каждая частотная компонента светового поля испытывает биения с каждой другой частотной компонентой, и фототок содержит все частоты биений в полосе пропускания фотоумножителя (обычно до нескольких гигагерц).

Форрестор показал [2], что в таком устройстве возникает спектр частот Sc(Ω) имеющий следующую связь со спектром E (ω) поля падающего излучения:

Sc(Ω)= ∫ E (ω)х E* (ω- Ω)d ω

Заметим¸ что частотный спектр фототока не зависит от частоты лазера.

Следовательно, рассеяние от возбуждений с низкой частотой Ω может наблюдаться с использованием многомодового лазера, так как компоненты внутри каждой моды испытывают биения только сами с собой. Условием применения многомодовых лазеров является соотношение

Ω« с/2L

где с - скорость света, L- длина резонатора лазера. Если световое поле E (ω) описывается Лоренцевой формой линии излучения с шириной γ, то спектр фототока Sc(Ω) описывается кривой Лоренцевой формы с шириной 2 γ.

На анимации приведена схема разработанного нами электронного спектрометра для исследования ширины линии релеевского рассеяния света в жидких средах, и в частности, в жидких средах с биологическими включениями.

Схема работает следующим образом. Излучение из лазера 1 проходит светоделительный куб , попадает в кювету с исследуемой биологической жидкостью и затем поглощается в роге Вуда. Излучение от лазера 2 поворотной призмой направляется в светоделительный куб. Одна часть этого излучения, прошедшая светоделительный куб, поглощается в роге Вуда, а вторая часть (отраженная кубом) поступает в исследуемую жидкость и затем поглощается в роге Вуда. Результат взаимодействия излучения лазера 1 и лазера 2 на поверхности катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) может наблюдаться в виде биений на анализаторе спектра. Питание ФЭУ осуществляется стабилизированным высоковольтным блоком. Для настройки и проверки работы ФЭУ использован светодиод, укрепленный вблизи катода ФЭУ. Питание на светодиод подается с генератора импульсов, который включается на время настройки ФЭУ. Выход с ФЭУ подключен к осциллографу. После настройки ФЭУ генератор отключается, после настройки анализатора лазер 2 также отключается, и на фотокатод ФЭУ с помощью объектива L подается только свет лазера 1, рассеянный кюветой с исследуемой жидкостью. Спектр частот биений Sc(Ω), описывающих форму линии Релеевского рассеяния света, наблюдается на анализаторе и записывается на самописце. Таким образом можно исследовать спектры Релеевского рассеяния света в жидких средах, в том числе биологических объектов. Данное устройство целесообразно использовать при комплексных исследованиях биологических объектов с применением спектрометров на поверхностных электромагнитных волнах (ПЭВ) [4].

На случай исследования спектров слабопоглощающих жидких сред, например растворов биологических объектов на стенку кюветы с жидкой средой, противоположную объективу L жестко закрепляется микрофонный датчик, который улавливает акустические колебания жидкой среды. Кроме того, устанавливается высокочувствительная антенна связанная через усилитель с сканирующим радиоприемником. В качестве лазера 1 в этом случае применяется перестраиваемый по частоте лазер на красителях. Если частота лазера совпадает с частотой линии поглощения, то в месте нахождения луча в жидкости возникает локальный нагрев. Этот локальный нагрев путем амплитудной модуляции лазерного луча, например с помощью модулятора, превращается в акустическую волну, которая достигает стенки кюветы и регистрируется микрофоном. Записывая интенсивность звукового сигнала как функцию частоты лазерного излучения мы можем записать спектр поглощения лазерного излучения исследуемой жидкости. Одновременно сканирующий приемник фиксирует ЭМИ радиодиапазона.

Кроме того, данную схему можно применить для исследования гигантского комбинационного рассеяния в тонких пленках, применяя разновидность спектрометра поверхностных электромагнитных волн [4]. В этом случае луч лазера в обход кюветы с жидкостью направляется на бипризму, состоящую из двух усеченных призм, соединенных большими основаниями друг с другом с зазором. Величина зазора d<λ/2 (λ-длина волны лазерного излучения). На большее основание одной усеченной призмы наносится пленка благородного металла (золота). Поверх этой пленки наносится тонкий слой исследуемого вещества.

Падающий под углом полного внутреннего отражения на поверхность призмы луч лазера проникает в зазор и возбуждает в металлической пленке поверхностную электромагнитную волну. Эта волна взаимодействует с оптическими фононами пленки исследуемого вещества и в виде гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света выходит в зазор между призмами. Свет комбинационного рассеяния наблюдается через наружную поверхность призмы. С бипризмы свет ГКР фокусируется на щель спектрофотометра СФ-29.

В отличие от других методов оптической спектроскопии, метод спектроскопии ГКР дает возможность изучить состояния отдельных групп атомов, находящихся на поверхности биологических макромолекул и надмолекулярных комплексов. Это очень важная информация, поскольку огромное число биохимических процессов в клетке протекает именно на поверхности границ раздела фаз. Для исследований мембранных процессов биологических макромолекул методом ГКР разработаны так называемые электрохимические ячейки, которые позволяют контролировать состояния групп атомов биомолекул, меняющих свои окислительно-восстановительные свойства в процессе функционирования. Имеется также возможность фиксировать электро - фотохимические превращения некоторых биомолекул, адсорбированных на поверхностях электродов или гидрозолей, что позволяет изучить отдельные стадии функционирования таких биологических соединений в стационарных условиях.

Особенностью разработанного нами устройства является возможность (Блок кратко показан на схеме, но не описан, охраняется Патентом РФ) применения данного устройства в практической медицине (через кожное и внутривенное облучение крови) и для исследовательской работы в биологии по перепрограммированию стволовых и соматических клеток с помощью промодулированного лазерного излучения. Для модуляции лазерного излучения используются оптические колебательные и радиоизлучательные процессы облученных клеток доноров здоровых организмов.

Информация об оптических колебательных и поглощательных способностях клеток через программируемый широкополосный акусто- оптический анализатор спектральных составляющих поступает в информационный центр компьютера. В этот центр также поступает информация о радиоизлучательных свойствах клеток, облученных лазером.

В информационном центре эти данные сравниваются с аналогичными данными пациента и принимается решение о дозе облучения, амплитуде и спектре модуляции лазерного излучения, направляемого для лечения пациента.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Электромагнитный сигнал оптического диапазона используется:

• в практической медицине для экстракорпоральной и внутрисосудистой фотомодификации крови с терапевтической целью при лечении различных заболеваний, в биологии для экспериментальных работ по перепрограммированию соматических и стволовых клеток (in vitro).

Электромагнитный сигнал акустического диапазона используется: в экспериментальных работах по изучению влияния промодулированного ЭМИ практически здорового донора пубертатного возраста на состояние гомеостаза взрослого реципиента страдающего хроническими заболеваниями.

[1]. И.Л. Фабелинский. Молекулярное рассеяние света. «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1965г.

[2] И. Флери. Рассеяние света как метод исследования фононов и других возбуждений. Физическая акустика под редакцией У. Мэзона и Р. Терстона, т.VI. «Мир», Москва, 1973г.

[3]. J.R. Sandercock. Some Recent Developments in Brillouin Scattering. RCA Review. Vol. 36. March 1975, p.89.

[4]. Захаров Ю.А., Михайлов М.Ю., Чистый И.Л. «Устройство для исследования распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) и средство для исследования влияния тонких пленок и микрообъектов на распространение ПЭВ». Патент РФ приоритет 2011 год.

Метод экстракорпоральной и внутрисосудистой фотомодификации крови модулированным лазерным излучением является новым вариантом широко применяемой в течение последних тридцати лет и введенной в медицинскую практику вариантом внутривенного лазерного облучения крови низкоинтенсивным лазерным излучением. Разница состоит в характере транслируемого (промодулированного особым образом лазерного излучения) в случае с квантовым характером воздействия и акустическим, если речь идет о применении электромагнитного излучения акустического диапазона.

Одним из физических полей окружающей нас среды является акустическое поле, представляющее собой области разрежения и сжатия, распространяющиеся в веществе в виде волн: в воздухе, воде, твердых телах и в живых организмах. Акустические колебания различаются, прежде всего, тремя параметрами: частотой колебаний, величиной акустического давления - разностью давления между максимумом и минимумом в акустической волне, а также скоростью звука - скоростью распространения волн в среде. По частоте акустические колебания различаются на: звук (частоты, которые воспринимает человеческое ухо, 20 герц - 20 килогерц), инфразвук (частоты ниже 20 герц), ультразвук (20 килогерц - 1 гигагерц) и гиперзвук (частоты выше 1 гигагерца). Акустические сигналы с частотой менее 1000 Гц «огибают» голову, благодаря чему их слышат оба уха. Но поскольку между ушами имеется определённое расстояние, мозг "слышит" сигналы, поступающие от них, с разными фазами, т. е., каждое ухо слышит свою часть волны, по мере того как она огибает голову. Именно эта разность фаз и позволяет мозгу точно определять расположение источника звука при частоте менее 1000 Гц. При этом возникают т. н., «бинауральный ритмы». Бинауральные ритмы это артефакт работы головного мозга, воображаемые звуки управляемой музыки, которую мозг воспринимает («слышит»), хотя реальные звуки отсутствуют. Чтобы наблюдать бинауральные ритмы, достаточно надеть стереонаушники, в которых на разные уши подаются сигналы, немного отличающиеся по частоте, разницу сигналов мозг воспринимает как естественные биения низкой частоты. Для того, чтобы такие биения были слышны, их частота тонов должна быть не выше 1000-1500 Гц, а разница частот не выше 30 Гц, но все же преимущественно не более 25 Гц. При большей разнице частот человек слышит два раздельных тона, и биения не возникает. С физической точки зрения это слияние двух волн, фазы которых периодически совпадают, тем самым создавая побочную волну низкой частоты. Термин «бинауральный», «бинауральный слух» относится к способности человека и животных определять направление на источник звука, благодаря различиям в параметрах звуковых волн, приходящих на разные уши. Бинауральные ритмы являются предметом исследования нейрофизиологов, в частности, занимающихся изучением слуха. Кроме того, бинауральные биения влияют на головной мозг, вызывая в нем волны, которые могут быть зарегистрированы при помощи ЭЭГ. При измерении активности мозга с помощью ЭЭГ было замечено, при изменении состояния человека изменяется и частота его мозговых ритмов. Отсюда вытекает два важных следствия:

• измеряя частоту колебания мозговых волн можно определить состояние человека
• если научится искусственным путём изменять частоту мозговых волн, то можно управлять некоторыми функциями мозга

У бинауральных колебаний было замечено одно важное свойство - при продолжительном воздействии внутренняя частота головного мозга синхронизируется с внешней частотой колебаний. Говоря простым языком - с помощью бинауральных колебаний у нас есть возможно влиять в некоторой степени на частоту мозговых ритмов, тем самым изменяя состояние человека. Для этого используется специальное техническое устройство: генератор резонансно-акустических колебаний - звуковых волн с особыми параметрами. Данные волны позволяют воздействовать на различные органы и системы пациентов за счёт индукции интракраниальных биений в процессе сложения различных для каждого уха звуковых частот, прослушиваемых с помощью широкополосных акустических систем (головных телефонов). Особенность устройства в том, что оно транслирует полученное на опто-акустическом модуляторе ЭМИ пациенту в простой акустической форме.

ЛИТЕРАТУРА

Богданов В.П., Субботина Т.И., Яшин А.А. Инструментальное и биофизическое исследование воздействия на живой организм электромагнитного излучения частотой 1000 МГц, адекватного техногенным полям. Вестник новых медицинских технологий, 2000г., т.7, №3-4, с57.

Нефедов Е.И. и др. Взаимодействие физических полей с живым веществом. - Тула, 1995г.

Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. - М.: Наука, 1968г.

Протасевич Е.Т. Электромагнитное оружие. - Томск: ТГУ, 2004г.

Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. - М.: Наука, 1982г.

Холодов Ю.А., Лебедева Н.Н. Реакции нервной системы человека на электромагнитные поля. - М.: 1992г.