5 КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И БИОМЕДИЦИНСКАЯ ОПТИКА

5
КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
И БИОМЕДИЦИНСКАЯ ОПТИКА
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
ЛАЗЕРНОГО И ЛАМПОВОГО ИСТОЧНИКОВ НА ВЕНЫ
М.З. Смирнов, А.Е. Пушкарева, Е.В. Сургутская
В последние годы лазерное излучение находит широкое применение в медицине,
в частности для лечения различных сосудистых поражений кожи, среди которых
большое значение имеют так называемые телеангиэктазии – расширенные сосуды кожи
диаметром до 1 мм. Они являются самой легкой, но и самой массовой патологией
сосудов кожи, которой страдают около 30% взрослого населения.
На данный момент все современные лазерные технологии для лечения
расширенных вен основываются на принципе селективного поглощения света
гемоглобином. Соответственно, для этих целей на практике используются источники,
излучающие преимущественно в зеленом и ближнем ИК диапазонах спектра. Наиболее
часто используются лазер на парах меди, λ=578 нм ("Яхрома-М", разработка
физического института имени П.Н. Лебедева (ФИАН) совместно с ГНПП "Исток"),
полупроводниковый лазер λ=800 нм ("LightSheer", Coherent) и Nd3+:YAG лазер на
основной и удвоенной частоте c длинами волн соответственно 1064 нм и 523 нм
("Orion", Laserscope и "Versapulse", Coherent).
В отличие от лазерного излучения, излучение ламп-вспышек в медицинской
практике начали использовать сравнительно недавно. Основным его преимуществом
является возможность использовать один прибор для различных целей, выбирая
необходимые для данного конкретного случая длины волн с помощью фильтров. Так, с
помощью одного устройства можно проводить операции по омоложению поверхности
кожи, удалять нежелательные волосы, татуировки, лечить различные сосудистые
поражения кожи, и др. На практике для удаления расширенных вен применяется Хелампа ("PhotoDerm VL", ESC Medical Systems).
Несмотря на то, что ламповые источники находят достаточно широкое
применение, аналитических исследований воздействия их излучения на вены
практически нет. Для лазерных источников аналогичные исследования существуют, но
их немного. Поэтому задача моделирования воздействия излучения лазерного и
лампового источников на вены представляется достаточно актуальной.
Для сравнительного анализа воздействия на вены излучения рассматриваемых
источников проведено математическое и компьютерное моделирование динамики
оптических и тепловых процессов диффузии при воздействии света на кровеносные
сосуды кожи. Указанные процессы описывались на основе теории переноса излучения
(в диффузионном приближении) и теории теплопроводности. Для моделирования были
использованы система математического программирования Matlab и ее приложение для
решения дифференциальных уравнений в частных производных Femlab.
В качестве модели биологического объекта была создана модель, включающая в
себя геометрию, оптические и физические свойства объекта (кожи и расположенных в
ней вен). Геометрия определяется следующим образом: полагаем, что кожа
представляет собой трехслойную структуру (рис. 1), включающую эпидермис,
базальный слой и дерму; в дерме находятся кровеносные сосуды различного диаметра
и глубины расположения.
Для удобства введем условные наименования вен, для которых будем проводить
моделирование воздействия лазерного излучения: поверхностные вены (диаметр
37
d = 0.2 мм, глубина расположения h = 0.25 мм), средние вены (d = 0.5 мм, h = 0.5 мм) и
глубокие вены (d = 1 мм, h = 1 мм).
Падающее излучение
Эпидермис
Базальный слой
Вена
Дерма
Рис. 1. Модель структуры кожи
Каждый элемент биообъекта имеет определенные оптические и теплофизические
параметры, величины которых взяты из литературных источников. Оптические
свойства всех рассматриваемых структур зависят от длины волны и являются
однородными. В данной модели не учитывалось изменение оптических свойств
биообъекта вследствие коагуляции, реакции Майлорда, образования пузырьков и др.
Также не учитывался кровоток, поскольку расчет проводился для длительности
импульса 20 мс, и смещение крови за это время в сосудах малого диаметра можно
считать незначительным.
Основополагающим фактором при воздействии оптическим излучением на
биологический объект является выбор оптимальной длины волны лазерного источника
или оптимального спектрального диапазона излучения лампы. Для этих целей были
введены критерии оптимизации параметров рассматриваемых источников. Поскольку
основным требованием к медицинскому инструментарию является безопасность для
пациентов, то в качестве главного критерия была введена величина безопасного
соотношения, которая характеризует селективность воздействия:
ΔTt arg
,
(1)
SR =
ΔTepi
ΔTt arg и ΔTepi – изменение температуры мишени (вены) и эпидермиса,
соответственно. Из данного определения следует, что безопасным воздействие будет
при выполнении следующего условия:
SR > 1 .
(2)
В качестве дополнительного критерия была введена величина, называемая
эффективностью воздействия, характеризующая изменение температуры вены в
расчете на величину плотности энергии падающего излучения, Ео:
ΔTt arg
,
(3)
AE =
E0
причем в случае воздействия излучением лампы величина эффективности может быть
рассчитана как относительно начальной энергии, падающей на фильтр (AED), так и
относительно энергии, прошедшей фильтрацию и падающей непосредственно на кожу
(AEF). Эти две величины эффективности воздействия связаны между собой
следующим соотношением:
где
38
AED = T filter ⋅ AEF ,
(4)
где Tfilter – коэффициент переноса фильтра, оптимизирующего спектр излучения лампы.
Для выбора оптимальных длин волн и диапазонов спектра была разработана
компьютерная программа, позволяющая произвести расчет величин SR и AE, а также
построить их зависимости от длины волны и распределения температуры в коже и
расположенной в ней вене.
В результате из полученных зависимостей безопасного соотношения от длины
волны (рис. 2) видно, что, с точки зрения безопасности, наиболее оптимальными
источниками для воздействия на поверхностные вены является лазер на парах меди с
длиной волны 578 нм, а также Хе-лампа с фильтром, выделяющим диапазон длин волн
500–600 нм. Для глубоких вен оптимальными являются YAG:Nd–лазер, излучающий на
длине волны 1064 нм, а также ламповый источник с фильтром 850-1100 нм.
2,5
поверхностные
вены
глубокие вены
Безопасное
соотношение
2
1,5
1
0,5
0
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
Длина волны, мкм
Рис. 2. Графики зависимостей безопасного соотношения от длины волны.
Тип кожи 2, плотность энергии импульса Е0=10 Дж/см2, длительность
импульса τ =20 мс.
P
Для наибольшей наглядности и корректировки полученных результатов были
построены распределения температуры в коже и вене при воздействии источниками с
длинами волн и диапазонами спектра, выявленными в результате оптимизации.
На рис. 3 приведены распределения температуры для случая воздействия
лазерным излучением. В случае воздействия импульсной лампой при соответствующем
подборе фильтров имеют место аналогичные распределения температуры. Например,
для воздействия, схожего с воздействием излучением лазера на парах меди, λ=578 нм,
можно использовать Хе-лампу с длительностью импульса τ =20 мс, диапазоном
P
пропускания фильтра (500–600) нм и плотностью энергии излучения Е0=6 Дж/см2. Для
нагрева вены, аналогичного нагреву с помощью YAG:Nd–лазера, λ=1064 нм, можно
проводить воздействие Хе-лампой с длительностью импульса τ =20 мс, диапазоном
P
пропускания фильтра 850–1100 нм и Е0=38 Дж/см2.
Как в случае лазерного, так и в случае лампового воздействия имеет место ярко
выраженная разница равномерности прогрева вены излучением зеленого и ближнего
ИК диапазонов спектра. Также можно сделать вывод, что эффективность воздействия
зеленым светом больше, чем ближним ИК, поскольку в первом случае на нагрев вены
до необходимой температуры (около 90°С) требуется значительно меньшая плотность
энергии излучения, чем во втором.
39
Т,
глубина, мм
глубина, мм
Т,
х, мм
х, мм
а)
б)
Рис. 3. Распределение температуры в коже и вене при воздействии лазерным
излучением с длительностью импульса τ =20 мс: а – λ=578 нм, Е0=5 Дж/см2,
P
б – λ=1064 нм, Е0=80 Дж/см2.
Если же непосредственно сравнивать воздействие лазерным и ламповым
источниками, то исследования показывают, что при воздействии на глубокие вены с
точки зрения эффективности наиболее предпочтительным является воздействие Хелампой с фильтром, выделяющим диапазон 850–1100 нм, поскольку затрачиваемая
плотность энергии для достижения необходимой температуры в этом случае меньше,
чем при воздействии излучением YAG:Nd–лазера (λ=1064 нм). При воздействии же на
поверхностные вены значительной разницы между лазером на парах меди (λ=578 нм) и
Хе-лампой с фильтром 500–600 нм не наблюдается.
40