015215 B1 015215 015215 B1 B1

Евразийское
патентное
ведомство
(19)
(11)
015215
(13)
B1
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45)
Дата публикации
и выдачи патента:
2011.06.30
(21)
Номер заявки:
200900722
(22)
Дата подачи:
2009.04.21
(54)
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В
БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ
(72)
(56)
BY-C1-9855
RU-C2-2209616
ПУШКАРЕВА
А.Е.
"Методы
математического
моделирования
в
оптике биоткани", Учебное пособие,
ИТМО, Санкт-Петербург, 2008, стр. 73
ЕР-А1-0524083
015215
(43) 2010.10.29
(96) 2009/EA/0042 (BY) 2009.04.21
(71)(73) Заявитель и патентовладелец:
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ИНСТИТУТ ФИЗИКИ
ИМЕНИ Б.И. СТЕПАНОВА НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY)
(51) Int. Cl. A61N 5/067 (2006.01)
A61F 7/00 (2006.01)
Изобретатель:
Асимов Мустафо Мухамедович, Асимов
Рустам Мустафьевич, Рубинов Анатолий
Николаевич (BY)
B1
015215
B1
(57)
Изобретение относится к области медицины, а именно, к восстановлению и поддержанию нормального уровня аэробного метаболизма клеток. На кожную ткань воздействуют лазерным излучением с длиной волны 585 ± 5 нм и одновременно нагревают кожную ткань в зоне воздействия
при температуре 42-43°С. Использование этого эффекта позволяет экстрагировать непосредственно из артериальной крови кожных кровеносных сосудов необходимое количество кислорода
и повысить его локальную концентрацию в зоне воздействия лазерным излучением.
015215
Изобретение относится к области медицины, в частности для восстановления и поддержания нормального уровня аэробного метаболизма клеток.
Известен способ повышения концентрации кислорода в биологической ткани (оксигенация), основанный на вентиляции легких чистым кислородом, при нормальном атмосферном давлении - нормабарическая оксигенация. Эффективность оксигенации биотканей в этом способе низкая и отсутствие селективности ограничивает его применение.
Известен также способ, основанный на гипербарической оксигенации (ГБО) - воздействии чистым
кислородом, при давлении, превышающем атмосферное в несколько раз [1]. В этом способе для повышения локального уровня оксигенации биоткани приходится подвергать избыточному воздействию кислорода весь организм, помещая его в специальную камеру. Недостатками способа ГБО являются отсутствие селективности и побочные явления, такие как интоксикация чистым кислородом.
Известен также способ, основанный на оксигенации искусственными носителями кислорода - искусственная кровь на основе перфторорганических соединений [2]. Оксигенация искусственными носителями кислорода осуществляется путем внутривенного введения эмульсии перфтороуглерода в кровь и
последующего вдыхания кислорода, или смеси 95% кислорода и 5% двуокиси углерода. Растворенный в
эмульсии O2 током крови транспортируется к тканям [3,4]. Недостатками искусственных заменителей
крови являются инвазивность и ограниченные транспортные функции кислорода. Так, если плазма крови
при нормальном давлении транспортирует около 6% кислорода к тканям, то в таких же условиях перфтороуглеродные эмульсии доставляют всего лишь 2% .
Ближайшим по техническому решению к предлагаемому способу является способ повышения
уровня оксигенации биоткани, заключающийся в том, что одновременно с проведением гипербарической
оксигенации (ГБО) низкоинтенсивным лазером излучением с длиной волны от 600 до 1000 нм воздействуют через кожу на зону, в которой необходимо повысить концентрацию кислорода - прототип [5].
Существенным недостатком способа является сложность повышения локальной концентрации кислорода в биоткани, так как процесс гипербарической оксигенации включает оксигенацию всего организма в целом.
Способ ГБО является сложным и требует громоздкое стационарное оборудование. Кроме того, он
обуславливает высокий риск кислородной токсемии как результат длительного воздействия O2 на организм при повышенном давлении.
Другим недостатком способа является выбор длины волны лазерного излучения в диапазоне от 600
до 1000 нм. Воздействие излучением с длиной волны из указанного диапазона преимущественно происходит на кровеносные сосуды, расположенные на большой глубине кожной ткани. Вместе с тем, эффективность воздействия указанных длин волн на сосуды, расположенные близко к поверхности кожного
покрова, остается крайне низкой, что снижает эффективность способа локальной оксигенации.
В способе-прототипе квантовый выход фотодиссоциации оксигемоглобина не превышает 10%, что
также снижает эффективность данного способа. Следует также отметить, что при необходимости длительного поддержания максимальной степени оксигенации многократное использование способа гипербарической оксигенации вызывает кислородную токсемию, что создает неудобства и снижает его эффективность.
Задачей изобретения является повышение эффективности локальной концентрации биологической
ткани.
Поставленная задача решается следующим образом. В способе повышения локальной концентрации кислорода в биологической ткани, основанном на воздействии лазерным излучением, воздействие
осуществляют лазерным излучением с длиной волны 585 ± 5 нм при одновременном нагреве кожной ткани в зоне воздействия до температуры 42-43°C.
Использование этого способа позволяет экстрагировать непосредственно из артериальной крови
кожных кровеносных сосудов необходимое количество кислорода и повысить его локальную концентрацию в зоне воздействия лазерным излучением.
Технический результат способа заключается в том, что с увеличением локальной концентрации кислорода (O2) в биоткани сверх поступающего путем микроциркуляции крови в сосудах и капиллярах
происходит дополнительная его экстракция из крови непосредственно в зоне воздействия лазерным излучением. Это позволяет оптико-термическим путем поддерживать величины локальной концентрации
кислорода на уровне, необходимом для нормального метаболизма клеток.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами и зависимостями, полученными авторами на основе экспериментальных исследований, где
на фиг. 1 изображен интегральный спектр действия оксигемоглобина в кожных кровеносных сосудах по глубине проникновения лазерного излучения в кожную ткань от 0,1 до 5 мм;
на фиг. 2 - сравнительная зависимость эффективности воздействия лазерного излучения на оксигемоглобин в зависимости от глубины проникновения в кожную ткань, при облучении в максимум спектра
действия 585 ± 5 нм и на длине волны, выбранной из спектрального диапазона 600-1000 нм;
на фиг. 3 - схема эксперимента для измерения концентрации кислорода в биологической ткани.
-1-
015215
Как известно, количество кислорода, доступного для метаболизма клеток, поступающего естественным путем, в результате микроциркуляции крови, описывается функцией
где HbO2 - значение оксигемоглобина в артериальной крови и [O2] - концентрация кислорода, высвобожденного в плазму крови.
В случае нарушения микроциркуляции крови количество кислорода, доставляемое к клеткам, резко
снижается и становится весьма критичным дополнительное обеспечение кислородом биологической ткани для того, чтобы удовлетворить потребность клеток для нормального метаболизма.
Этого можно достичь путем лазерно-индуцированной фотодиссоциации HbO2 in vivo непосредственно в зоне, где необходимо повысить локальную концентрацию свободного молекулярного кислорода
(фиг. 3).
В результате получаем общую концентрацию высвобожденного кислорода обычным путем и благодаря лазерно-индуцированной фотодиссоциации HbO2 в артериальной крови:
Таким образом, лазерно-индуцированная фотодиссоциация оксигемоглобина in vivo представляет
собой принципиально новую технологию оксигенации биоткани, которая использует ресурсы крови по
транспорту кислорода гемоглобином. Причем оксигенация биоткани приводится локально-лазернооптически-термическим методом в зоне воздействия.
Для локального облучения крови в кожных кровеносных сосудах было выбрано излучение лазера с
длиной волной 585 нм. На фиг. 1 представлен расчетный спектр суммарного поглощения оксигемоглобина (HbO2), проинтегрированный по всей глубине проникновения от 0,1 до 5 мм. Как видно из фиг. 1
наиболее оптимальная длина волны излучения приходится на λ = 585 нм, которая воздействует на кровеносные сосуды и капилляры на глубину до 2,0-2,5 мм.
На фиг. 2 представлена сравнительная зависимость эффективности облучения кожных кровеносных
сосудов от глубины проникновения лазерного излучения при воздействии на длине волны λ= 585 нм и на
длине волны λ = 840 нм, выбранном из диапазона 600-100 нм. Как видно из фиг. 2, эффективность поглощения HbO2 на длине волны 585 нм остается выше по сравнению с λ = 840 нм при воздействии на
сосуды, расположенные на глубине до 2 мм, и сравнивается на 2,5 мм.
Таким образом, длина волны λ = 585 нм обеспечивает эффективное воздействие на кровеносные сосуды, имеющие высокую плотность на глубине 2-2,5 мм в кожной ткани, что позволяет дополнительно
экстрагировать максимально возможное количество кислорода оптически-термическим путем в зоне
воздействия лазерным излучением.
Экспериментальные измерения повышения локальной концентрации кислорода в кожной ткани при
возбуждении лазерным излучением и тепловым воздействием проведены полярографическим методом с
помощью кислородного датчика Кларка и монитора ТСМ-2 фирмы "Radiometer Ltd." (Дания), который
позволяет непосредственно определить концентрацию кислорода в кожной ткани в величинах мм.рт.ст.
Измерение локальной концентрации кислорода проводилось при возбуждении лазерным излучением на длине волны 585 нм и тепловым воздействием при температуре 42 и 43°С непосредственно в зоне
облучения кожной ткани.
Первоначально проведено измерение начальной концентрация кислорода в кожной ткани в единицах мм рт.ст. В данном случае она составляла порядка 20 мм рт.ст., что является начальной точкой, от
которой начинается повышение концентрации кислорода при воздействии лазерным излучением и тепловым воздействием.
Затем проводилось воздействие лазерным излучением на λ = 585 нм и тепловым воздействием при
температуре 42°С в той же зоне, где была измерена начальная концентрация кислорода. При этом локальная температура в зоне воздействия повышалась с помощью нагревателя, встроенного в кислородном датчике. Повышение локальной температуры кожного покрова в зоне воздействия лазерным излучением могжет быть осуществлено любыми другими способами, например струей горячего воздуха, световым или лазерным излучением в ПК диапазоне и т.п.
Так, при длительности воздействия порядка 10 мин зарегистрирован рост локальной концентрации
кислорода в зоне облучения в 1,8 раза, что составляет величину 36 мм рт.ст. При температуре 43°С происходит рост локальной концентрации кислорода в зоне облучения более чем в два раза и достигает величины 44 мм рт.ст.
Ограничение по верхнему пределу температуры в 43°С обусловлено денатурацией биологической
ткани. Узкий диапазон температуры от 42 до 43°С учитывает индивидуальную чувствительность и в то
же время обеспечивает достижение максимального значения концентрации кислорода при воздействии
лазерным излучением с длиной волны 585 нм.
Длительность воздействия лазерным излучением определяется временем достижения максимального значения локальной концентрации кислорода в зоне облучения. Это время зависит от энергии лазерного излучения и плотности меланина в кожной ткани, который играет роль светового фильтра. Плотность меланина в кожном покрове меняется от индивида к индивиду и поэтому при заданной энергии
-2-
015215
лазерного излучения в качестве источника воздействия критерием длительности воздействия является
время достижения максимальной концентрации кислорода в биологической ткани.
Таким образом, предложенный способ оптически-термического воздействия на кожные кровеносные сосуды позволяет экстрагировать дополнительное количество кислорода и повысить его локальную
концентрацию в зоне воздействия лазерным излучением.
Источники информации
[1] Ефуни С.Н. Руководство по гипербарической оксигенации. М.: Медицина (1986).
[2] Grim P.S., Hyperbaric Oxygen Therapy //JAMA. - 1990, vol. 263, P.2216-2220.
[3] Иваницкий Г.Р. Биофизические основы перфторуглеродных сред и газотранспортных заменителей//Префторорганические соединения в биологии и медицине. Пущино, 2001, с. 4-48.
[4] Martin D.F, et al. Enhancement of Tumor Radiation Response by the Combination of a Perfluorochemical Emulsion and Hyperbaric Oxygen // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. - 1987, vol. 13, P.747-751.
[5] Асимов М.М., Асимов P.M., Рубинов А.Н. "Способ повышения локальной концентрации кислорода в биологических тканях пациента" патент BY No. 9855 Cl, 2007.10.30.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ повышения локальной концентрации кислорода в биологической ткани, основанный на воздействии на биологическую ткань лазерным излучением, отличающийся тем, что на кожную ткань воздействуют лазерным излучением с длиной волны 585 ± 5 нм при одновременном нагреве кожной ткани в
зоне воздействия до температуры 42-43°С.
Фиг. 1
Фиг. 2
-3-
015215
Фиг. 3
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
-4-