Фотоматричное устройство - RU2195981C2

Чертежи

Показать все 12 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к области биологии, в частности к физиотерапии и фотобиологии, и касается терапевтического воздействия светом на различные органы человека, микроорганизмы и растения в комбинации с другими видами энергии, включая магнитное поле, электростимуляцию, механотерапию, вакуум-терапию и т.п.

Известно устройство для светотерапевтического воздействия на различные области тела человека, содержащее источники оптического излучения, например, в виде лазера или светодиода, соединенные с блоком питания и таймером [1]. Источники излучения размещаются отдельно или вмонтированы в выносные насадки, или соединены со световодами, через которые излучение направляется на биообъект. Недостатком подобных устройств является трудность равномерного облучения светом протяженных патологических зон на теле человека, особенно при сложной пространственной геометрии этих зон.

Наиболее близким по технической сущности является комбинированное терапевтическое устройство, состоящее из нескольких узкополосных источников в виде светодиодов с длинами волн излучения, лежащими в спектральном диапазоне от 0,25 до 2 мкм [1]. Источники излучения работают как в непрерывном режиме, так в импульсном в широком диапазоне частот и скважности. Источники излучения размещаются как правило в торцевой части выносных насадок, которые могут быть зафиксированы относительно корпуса блок-питания с помощью специальных держателей.

Недостатками устройства являются невозможность облучения протяженных патологических зон при их расположении, например, с различных сторон биообъекта, что характерно, в частности, при ожогах, отеках или дерматологических патологиях, захватывающих все стороны конечностей; трудность селективного облучения по заданному закону поверхности сложной геометрии, например, локтевых и коленных сгибов, верхней части головы, внутриполостных зон, органов половой сферы и т.п. с одновременным исключением попадания излучения в соседние зоны; невозможность фиксации заданного расстояния между излучателями и биообъектом по всей протяженности патологической зоны, в частности, во избежание возможного касания излучателей с раневой или ожоговой поверхностью или непроизвольном движении пациента; для случая фотодинамической терапии объемных опухолей или надкожного облучения крови чрезмерная локальность и малая доза воздействия в расчете на весь патологический объем.

Для исключения указанных недостатков, т. е. повышения эффективности светотерапии при лечении протяженных патологических зон сложной геометрии, устройство снабжено излучателями одного или различного спектрального диапазона, соединенными с блоками управления и питания, а также дополнительными физиотерапевтическими модулями (ультразвуковой, вакуумной, магнито-, электрои др. видов терапии), размещенными в пространстве, в частности на подложке с формой рабочей поверхности, подобной форме пространственно протяженной патологической зоны. Индикатрисы излучения от каждого излучателя и само их положение в пространстве вокруг биообъекта ориентированы таким образом, чтобы обеспечивалась равномерная освещенность в пределах заданной зоны. Длины волн излучателей выбираются, исходя из совпадения с полосами поглощения биомолекул как экзогенного, так и эндогенного происхождения.

Излучатели в случае относительно плавного изменения рельефа поверхности размещаются равномерно на подложке. Их количество N, расстояние между ними d и мощность каждого из них Р в первом приближении определяются из системы взаимосвязанных выражений

Для задания среднего расстояния h между объектом и излучателем, а также во избежание их касания, между излучателем и биообъектом введены дополнительные фиксаторы, выполненные, например, в виде прокладок по краям подложки или в виде пружинных элементов, соединенных с одной стороны с подложкой, а с другой стороны с гибкими кольцами, охватывающими биообъект, например конечности со всех сторон. Для лучшего использования отраженного от биообъекта или рассеянного излучения поверхность подложки между излучателями выполнена зеркальной. Введен держатель для закрепления подложки относительно биообъекта, например, в виде липкой ленты. Дополнительно введены блок коммутации, соединенный с блоком управления и дополнительными физиотерапевтическими модулями, и датчики обратной биологической связи, соединенные с блоком коммутации, который обеспечивает переключение излучателей различного спектрального состава и дополнительных физиотерапевтических модулей по заданной программе, например их работу по отдельности или одновременно.

Кроме того, подложка может быть снабжена боковыми фланцами с упругими краями, прилегающими к поверхности биообъекта, для обеспечения герметичности объема над областью патологии, а в саму подложку вмонтированы дополнительные модули, соединенные с соответствующими блоками управления для регулировки температуры, давления и газового состава над областью патологии, а также для подачи различных лекарственных и других веществ, например магнитных жидкостей, в том числе в виде аэрозолей.

Дополнительно между поверхностями подложки и биообъекта введен прозрачный для излучения колпак, прилегающий краями к поверхности биообъекта, в который вмонтированы указанные выше физиотерапевтические модули.

Дополнительно между поверхностями подложки и биообъекта введена гибкая эластичная прокладка, плотно охватывающая область патологии, пропитанная лекарственным препаратом и прозрачная для используемого излучения оптического диапазона.

Блоки управления и коммутации вместе с автономным блоком питания могут быть размещены непосредственно на подложке, причем блок питания может быть выполнен как одноразового действия с использованием пакета миниатюрных батарей, так и многоразового действия за счет использования перезаряжаемых батарей. Предлагается также дистанционное питание за счет введения катушки индуктивности, соединенной с излучателями и дополнительными физиотерапевтическими модулями, в частности с электродами электростимулятора, и внешнего источника импульсного электромагнитного поля с параметрами: длительность импульса 10^-9-10^-1с, напряженность магнитного поля 10^-3-10 Тл, частоты повторения 1-10⁴ Гц.

Источник оптического излучения может быть выполнен также в виде полости в подложке с оптическими окнами, заполненной химическими веществами, излучения в которой формируется в ходе химической реакции между отдельными веществами или в результате нелинейного взаимодействия с ними излучения от первичных источников излучения за счет различных физических эффектов, включая удвоение гармоник, комбинационное рассеяние или флюоресценцию.

Во всех перечисленных выше модификациях фотоматричных систем подложка может быть выполнена из достаточно жестких материалов, например, из металла, пластмассы, пластика, стекла, керамики, ситаллов или их различных комбинаций. Излучатели могут быть зафиксированы чисто механически или с помощью клеевых соединений. При относительно небольшой кривизне поверхности подложка может быть выполнена в виде монолитного интегрального чипа с припаянными гибридными микрокристаллическими светодиодами или лазерами. При высокой плотности их размещения и относительно больших токах питания вводится система охлаждения как со стороны рабочей поверхности, обращенной к биообъекту, так и с тыльной поверхности подложки, например, с помощью микровентиляторов.

При сложной пространственной геометрии, вызывающей определенные сложности создания сплошной жесткой матрицы, последняя выполняется из отдельных сегментов с плоской или близкой к ней рабочей поверхностью, соединенных между собой жесткой или гибкой связью. В простейшем случае эти сегменты могут иметь прямоугольную форму и быть выполненными в виде интегральных чипов, равномерно охватывающих со всех сторон область патологии, например конечность. Размер отдельных сегментов и их форма выбирается, исходя из необходимости следовать рельефу поверхности.

При использовании компактных легких излучателей, например светодиодов, они могут быть зафиксированы на гибкой мягкой подложке в виде медицинской ткани, бинта, пластыря, которая при поджатии или охвате области патологии принимает форму патологической зоны. Для изолирования излучателей от биообъекта, что необходимо, например, для дезинфекции, может быть введена защитная прозрачная пластика или пленка, примыкающая к излучателям. Каждый излучатель может иметь независимую оптику, например собирающую или рассеивающую линзу или диффузное покрытие, в частности, на поверхности светодиодов, которое обеспечивает перераспределение энергии излучения в широком угле вплоть до 180^o. Возможно также использование общего диффузного экрана для всех излучателей.

В первую очередь в изобретении предполагается использовать компактные полупроводниковые гибридные лазеры и светодиоды, излучающие в широком спектральном диапазоне и обладающие большим диапазоном технических параметров. Тем не менее, возможно использование и компактных газоразрядных и люминесцентных ламп, а также источников радиоволнового диапазона. Особенно перспективно использование фотоматричных систем для фотодинамической терапии как онкологических, так и неонкологических заболеваний. Для облучения достаточно протяженных онкологических образований предлагается использовать внешние матрицы с лазерами или светодиодами. В частности, современная полупроводниковая технология позволяет обеспечить плотность мощности от светодиодов до 300 мВт/см² на площади до 1000-2000 см² на длине волны поглощения основных фотосенсибилизаторов в диапазоне от 0,63 до 0,8 мкм. Предлагается также плотное размещение светодиодов внутри цилиндрических и сферических зондов и катетеров для использования совместно с эндоскопической техникой при облучении внутриполостных опухолей или сквозь проколы в ткани.

Среди неонкологических применений фотодинамической терапии предлагается использовать фотоматрицы для лечения различных дерматологических заболеваний и инфицированных процессов, в том числе благодаря бактерицидному действию фотосенсибилизаторов из-за образования активных радикалов и синглетного кислорода. Так как каждый фотосенсибилизатор эффективно поражает лишь определенные виды бактерий, то для повышения универсальности предлагается использовать фотоматрицы с различными длинами волн для облучения смеси фотосенсибилизаторов, имеющими различные полосы поглощения. Для дополнительного перемешивания фотосенсибилизатора в растворе в зоне патологии дополнительно предлагается использовать устройство ультразвуковой терапии, наконечник которого помещается в соответствующий раствор. В силу кавитации в растворе будут также формироваться радикалы, т.е. реализуется режим комбинированной фотосонодинамической терапии.

Дополнительно предлагается использовать инфракрасные светодиоды повышенной мощности (до 0,5-5 Вт), обеспечивающей кратковременный нагрев патологических зон до 40-41^oС, в том числе для усиления микроциркуляции крови, что полезно, например, при лечении артритов. Нагрев поверхности биообъекта при контакте с фотоматрицей может осуществляться и за счет нагрева самой фотоматрицы.

Компактность, легкость и гибкость фотоматриц позволяет их комбинировать с другими методами терапии, в частности с аппаратами магнитной терапии и электростимуляции. Достигается это за счет встраивания фотоматриц в устройства, формирующие как постоянные, так и импульсные магнитные поля, например, в виде соленоидов плоской и цилиндрической геометрии. Предлагается также комбинация фотоматриц с электростимуляторами путем пристыковки электродов на краях фотоматриц или в виде многоэлектродных систем, например небольших металлических иголок, располагаемых между излучателями.

Форма фотоматриц может быть любая, максимально адаптированная к форме поверхности патологической зоны. В частности, предлагаются формы в виде маски для лица, перчатки, устройств, повторяющих внутренние структуры носа, уха, рта и других внутренних полостей, встроенные в трансуретральные, трансректальные катетеры, гинекологические зонды. Предлагаются также формы матриц, равномерно охватывающих область скопления жира, например, на животе, шее, бедрах, для перевода жира в растворимые соединения, выводимые из организма, в том числе за счет использования фотосенсибилизаторов. Предлагаемые фотоматрицы удобно встраивать в одежду человека, в постельные принадлежности, в предметы повседневного быта (часы, очки, браслеты и т.п.) для облучения тела по заданной программе для управления настроением, влияния на биологические ритмы, на иммунную систему, на кровь. Возможно размещение фотоматриц с внешних сторон барокамер, инкубаторов для новорожденных, прозрачных камер для фотобиологических исследований фотосинтеза и сельскохозяйственных экспериментов. Использование инфракрасных источников в так называемых окнах прозрачности биологических тканей позволяет обеспечить равномерное облучение и некоторых внутренних органов, в частности легких для лечения туберкулеза, мозга для ускорения выработки ряда биологических молекул, например серотонина.

Излучатели могут быть размещены с тыльной стороны поверхности подложки (по отношению к другой стороне, обращенной к объекту), непосредственно в которой находятся выходные окна источников или согласующие линзы.

Равномерная освещенность протяженной зоны может достигаться путем введения системы оптических делителей пучков.

В качестве излучателей могут использоваться полупроводниковые гибридные лазеры, работающие как в непрерывном, так и в импульсном режиме с частотой повторения от 1 до 10⁴ Гц в диапазоне длительностей импульсов от 0,1 до 10^-11 с.

В качестве излучателей возможно использование источников миллиметрового и/или радиодиапазона в виде ламп обратной волны, лавинно-пролетных диодов, диодов Ганна, специальных транзисторов, клистронов и магнитронов.

В качестве излучателей могут быть использованы полупроводниковые лазеры или матрицы светодиодов с различными длинами волн, в том числе вблизи 0,63, 0,67, 0,75, 1,26 мкм, со спектральной шириной не более 30 нм и мощностью в диапазоне от 1 мВт до 100 Вт. Каждый источник с соответствующей длиной волны предназначен для работы с соответствующими фотосенсибилизаторами, например производными гепатопорфирина (0,63 мкм), хлоринами и соединениями фталцианина (0,67 мкм), производными бензопорфирина (0,69 мкм), индицианином зеленым (0,75 мкм), растворенным кислородом (1,26 мкм) и т.д.

Дополнительные физиотерапевтические модули могут быть выполнены в виде источников, обеспечивающих вибрацию, акустические или, как отмечено выше, ультразвуковые колебания, в виде магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователей, рабочие окончания которых находятся в контакте или непосредственно с биообъектом или с промежуточной средой в виде физиологического раствора, находящегося, в свою очередь, в контакте с патологической зоной.

Для реализации сочетанной фотосонодинамической терапии онкологических, инфицированных или дерматологических заболеваний в раствор вводятся дополнительные лекарственные препараты и фотосенсибилизаторы, длины волн поглощения которых совпадают с длинами волн выбранных оптических излучателей. При этом параметры ультразвука выбираются таким образом, чтобы обеспечить эффекты кавитации, которые активируют вещества в растворе, а форма матрицы и расположение излучателей на ней обеспечивают равномерную освещенность раствора над областью патологии.

В целях равномерного облучения объемной патологической зоны внутри организма излучатели могут быть выполнены в виде химического вещества, равномерно распределенного по объему патологической зоны в результате его селективного накопления путем введения в кровь или принудительной местной импрегнации и флюоресцирующего под влиянием внешних физических факторов, например высокочастотного электрического поля, рентгеновского излучения или ультразвуковых колебаний.

Устройство может быть выполнено в виде отдельных прямоугольных матричных сегментов с высокой плотностью размещения светодиодов на монолитных интегральных чипах с охлаждением, обеспечивающих плотность мощности порядка 100-1000 мВт/см², соединенных между собой гибкой связью и равномерно охватывающих область патологии.

Устройство может быть выполнено в виде полого цилиндра, помещаемого во внутренние полости организма непосредственно или виде рабочего окончания соответствующего катетера (трансуретрального, трансректального, вагинального и др.), или через полую иглу, с микроизлучателями внутри, обращенными наружу и размещаемыми или на внешней поверхности цилиндра, или на внутренней поверхности цилиндра с оптическими прозрачными или диффузными стенками. При этом излучатели могут быть выполнены в виде параллельных линеек, размещенных на узких прямоугольных сегментах, фиксируемых на мягкой подложке, или на внутренней, или на внешней поверхности цилиндра, параллельно его оси. Компактные излучатели могут быть также размещены в виде линейки вдоль полого цилиндра с прозрачными или диффузными стенками, причем направление максимума диаграммы направленности выбирается в пределах от 0 до 90^o по отношению к оси цилиндра.

Для регулирования веса пациента гибкая матрица, как было уже отмечено выше, может быть закреплена в местах скопления жировой ткани: на животе, шее, подбородке, бедрах и/или в местах наибольшей концентрации сосудов крови, причем длина волны в первом случае выбирается, исходя из максимальной активации фотохимических процессов, приводящих к рассасыванию жира, в том числе при участии фотосенсибилизаторов, а во-втором случае - из активации выработки биологически активных веществ, в частности серотонина, ответственных за регуляцию веса.

Для управления биологическими ритмами, влияющими, в частности, на сон человека или скорость его временной адаптации при быстром пересечении им часовых поясов, устройство дополнительно содержит таймер, включающий излучатели в определенные моменты, согласованные со временем и скоростью пересечения временных часовых поясов Земли.

Для активизации иммунной системы путем перевода антител из малоактивной формы в активную (из низкоавидного состояния в высокоавидное) излучатели равномерно охватывают тело пациента в зонах, ответственных за формирование иммунного ответа, а длина волны выбирается в спектральной области максимальной активизации антител, в частности, вблизи 0,66 мкм, плотность мощности в диапазоне от 2 до 100 мВт/см², а время экспозиции от 10 до 50 мин.

Для применения в пульмонологии и для лечения туберкулеза излучатели в виде матрицы светодиодов размещаются на гибкой подложке, охватывающей равномерно тело пациента в области легких со стороны груди и/или спины, а длина волны излучения выбирается в диапазоне наибольшей прозрачности биоткани, в частности в диапазоне 0,7-0,95 мкм и так, чтобы она совпадала с полосой поглощения используемого фотосенсибилизатора.

Для лечения постмастектомических осложнений вводится дополнительно модуль механотерапии в виде управляемого давлением воздуха компрессионного бандажа. При этом излучатели размещаются на внутренней поверхности бандажа и/или на подложке цилиндрической формы, охватывающей бандаж, который выполнен прозрачным или частично прозрачным для используемого излучения. В качестве излучателей используются источники видимого диапазона длин волн в сочетании с инфракрасными как для прогрева патологической зоны, так и фотодинамической терапии в сочетании с фотосенсибилизаторами и/или лекарствами типа кумарина, в том числе для активации иммунной системы.

С целью повышения эффективности фотофореза устройство снабжается механическими иголками длиной от 5 до 10 мкм, равномерно распределенными по площади подложки и находящимися в контакте с поверхностью биообъекта. Подложка снабжена дополнительно механизмом поджатия иголок к объекту. Механизм действия иголок заключается в формировании множества дополнительных точечных каналов в роговом слое, через которые лекарства будут диффундировать вглубь кожного покрова. В результате фотофорез будет усиливать как обычную чрескожную доставку лекарств, так и дополнительно воздействовать на лекарства, уже частично проникшие в роговой слой через искусственные поры.

Устройство может дополнительно содержать устройство электрофореза.

Заданное распределение освещенности может быть обеспечено за счет заданного распределения излучателей в пространстве и на поверхности подложки, и/или изменения их мощности, и /или введения масок или фильтров между излучателями и поверхностью объекта.

Благодаря отмеченным отличительным признакам заявляемое устройство впервые позволяет обеспечить эффективное лечение пространственно протяженных патологических зон, в том числе отеков, варикозного расширения вен, дерматологических и онкологических заболеваний, протяженных инфицированных и воспалительных процессов (язв, гнойных ран и т.п.), обеспечивает эффективную светотерапию крови, терапию желтухи и т.п.

Наиболее существенным отличием является то, что форма подложки с излучателями повторяет форму облучаемой патологической зоны любой конфигурации и площади, что раньше не было достигнуто. Например, с помощью данного устройства можно равномерно облучать всю поверхность лица, головы (косметология, дерматология), половых органов (лечение простатита, импотенции), локтевых и коленных суставов, женской груди, отдельных конечностей, включая ступни и пальцы руки, а также всего человека в целом. Излучатели могут быть любые, но наиболее перспективны по габаритным и экономическим соображениям, как отмечалось выше, полупроводниковые лазеры малых размеров и сверхминиатюрные светодиоды, излучающие в спектральном диапазоне от 0,25 до 2-3 мкм. Многочисленные фундаментальные исследования показали, что биологическое действие лазерных и светодиодных источников, имеющих сравнительно узкую линию излучения до 15-20 нм, практически одинаково, а ширина полосы поглощения основных компонентов биоструктур достаточно широка - до 40-60 нм, что позволяет использовать в фотомедицине нелазерные излучатели. В качестве излучателя требуемого спектрального диапазона предлагается использовать также излучение химиолюминесценции, возникающее в ходе химических реакций ряда веществ. Для случае лазеров относительно больших габаритов возможно использование и стандартной световодной доставки излучения к биообъекту. Однако для возможности облучения протяженных областей необходимо воспользоваться многоволоконной системой, на входе которой отдельные волокна соединены в один жгут, а на выходе пристыковываются к отдельным зонам подложки, причем для создания более равномерного облучения вводится диффузная полузеркальная (полупрозрачная) прокладка, которая обеспечивает требуемый эффект за счет переотражения и рассеяния излучения в этой прокладке. Минимальное количество излучателей определяется из выражений (1)-(3), исходя из условия определенной степени перекрытия световых зон от каждого излучателя на поверхности биообъекта. Для более полного использования излучения, в частности, отраженного от биообъекта, рабочая поверхность подложки выполняется зеркальной. Выгодным преимуществом предлагаемого изобретения является наличие фиксаторов, задающих среднее расстояние между поверхностями подложки и биообъекта, и держателя, закрепляющего подложку на теле пациента. В этом случае отпадает необходимость во время процедуры находиться пациенту в неподвижном состоянии, а также исключается возможность случайного касания излучателями язв, гноящейся раны или ожога даже при малом расстоянии между поверхностями подложки и биообъекта и сложной их пространственной геометрией.

Как показывает анализ, различные методы физиотерапии выгодно дополняют друг друга и в комбинации могут дать ощутимый лечебный эффект. Это достоинство обеспечивается в предлагаемом изобретении за счет использования кроме светотерапии также и электромагнитной терапии. Источники постоянного или импульсного магнитного поля размещаются в подложке или рядом с ней и воздействуют на биоообъект последовательно или синхронно со световым облучением, что обеспечивает блок коммутации. В предлагаемом устройстве предусмотрен канал обратной связи в виде различных биодатчиков (акустических, реографических, температурных и др.), регистрирующих соответствующие эффекты комбинированного воздействия на организм и управляющие через блок коммутации процессом лечения.

В устройстве благодаря созданию герметичного объема над областью патологии заложена уникальная возможность изменения параметров окружающей среды, включая температуру, давление, состав газовой атмосферы и т.п. Например, возможно уменьшение концентрации кислорода за счет ввода какого-либо инертного газа для подавления инфекционных процессов. Имеется возможность периодической или постоянной подачи лекарств на поверхность раны одновременно с облучением, что позволяет реализовать, например, метод локальной фотодинамической терапии для лечения как онкологических, так и неонкологических заболеваний, в последнем случае за счет использования сопутствующего бактерицидного эффекта. Замкнутый герметичный объем может быть реализован за счет экранирования зоны патологии путем размещения над ней прозрачного для излучения колпака, в котором можно создавать например, разрежение воздуха, как это реализуется в вакуум-терапии. Одно из перспективных применений такой комбинированной фотовакуумной терапии заключается в лечении импотенции у мужчин. Предусмотрен также модуль для изменения температуры биообъекта для реализации, например, комбинированной фотогипертермии или фотокриотерапии.

Для реализации комбинированной фотомедикоментозной терапии помимо принудительной подачи лекарств в зону патологии весьма удобно размещение тонкой пропитанной лекарством, например фотогеном или фотосенсом, повязки или марли непосредственно на поверхности биообъекта. Это важно для лечения различных онкологических и дерматологических заболеваний. Эта повязка, выполненная из тонкого эластичного материала, может плотно обжимать область патологии, например конечность, что позволяет реализовать уникальный комбинированный метод фотомеханотерапии отеков. В случае использования сверхминиатюрных светодиодов с относительно малым энергопотреблением возможно использование автономного компактного блока питания, размещаемого непосредственно на подложке. Благодаря этому можно реализовать уникальный метод сечения, например, варикозного расширения вен с помощью компактного легкого устройства, закрепляемого непосредственно на ноге и позволяющего пациенту свободно передвигаться, например, в амбулаторных или домашних условиях под наблюдением врача. Таким образом, в целом предлагается достаточно универсальное комбинированное фототерапевтическое устройство, которое за счет уникальных отличительных признаков позволяет существенно повысить эффективность светолечения целого ряда серьезных заболеваний, что ранее невозможно было реализовать.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показана общая схема устройства;
на фиг. 2 - примеры фотоматричных устройств для облучения различных органов;
на фиг. 3 - матричный облучатель поверхности тела ("фотопластырь");
на фиг. 4 - фотовакуумная терапия в урологии;
на фиг. 5 - лазерная система для облучения протяженных зон:
а) многоволоконная;
б) одноволоконная;
на фиг. 6 показано устройство для эндоскопического облучения трубчатых полостей:
а) большого диаметра;
б) малого диаметра;
на фиг. 7 - устройство для облучения руки:
а) ладони "лазерная (световая) перчатка;
б) локтевого сгиба;
на фиг. 8 - облучение всего тела человека, световая (лазерная) ванна или душ:
а) в полуплоскости;
б) всего тела;
на фиг. 9 - изображены импульсные фотомагнитные системы с использованием соленоидов различной конфигурации:
а) на основе катушек Гельмгольца;
б) отдельный элемент фотомагнитной системы;
в) цилиндрической геометрии;
на фиг. 10 - комбинированная эндоскопическая система с дистанционным питанием;
на фиг. 11 - комбинированная имплантируемая система с дистанционным питанием для:
а) фотодинамической терапии;
б) электрооптической стимуляции слухового нерва;
на фиг. 12 показана полужесткая фотоматричная система, составленная из отдельных сегментов;
на фиг. 13 - принцип распределения оптических излучателей в пространстве при облучении сложной поверхности.

Изображенное на фиг. 1 устройство работает следующим образом. Излучатели 1 в виде светодиодов в заданном блоком 2 управления временном режиме (импульсном или непрерывном) облучают биообъект 3, например, в виде конечности ноги с целью лечения перелома, язв ступни или кожных дерматологий. Одновременно на биообъект 3 воздействуют, например, импульсным магнитным полем, управляемым с помощью блока 4 (соленоиды, расположенные вдоль биообъекта не показаны). Для возможности синхронизации воздействия с биоритмами организма, в частности с пульсом, предусмотрен фотоплетизмографический датчик 5, с выхода которого биосигнал подается на блок коммутации 6. Одновременно с пульсом этот биосигнал несет информацию о кровенаполнении, что используется для управления процессом лечения. В частности, при достижении максимума кровотока и его последующего уменьшения процесс лечения прекращается. Дополнительные модули 7 вместе с блоками 8 управления служат для изменения состава газа и температуры в объеме над патологической зоной, ограничиваемой подложкой 9 и фланцами 10. Последние играют также роль фиксаторов, стабилизирующих расстояние между излучателями 1 и поверхностью биообъекта 3. Блок питания 11 служит для питания как излучателей, так и дополнительных физиотерапевтических модулей.

На фиг. 2 представлены возможные формы подложек для облучения различных органов человека. В частности, маска 12 с встроенными излучателями 1 повторяет форму биообъекта 3 (лица) и предназначена для косметологии в целях улучшения микроциркуляции и обменных процессов в коже, а также для разглаживания морщин. Подложка 13 в виде полусферы предназначена для облучения головы как в косметологических целях борьбы с облысением, так и активизации мозгового кровообращения при реабилитации больных с инсультом или церебральным параличом. Подложка 14 в виде наушников с встроенными излучателями предназначена для лечения ушных воспалительных заболеваний, отитов, невритов слухового нерва и т. п. Подложка 15, по форме напоминающая вставную челюсть, предназначена для облучения всей полости рта, включая и карманы около десен. Подложка 16, охватывающая часть шеи, предназначена для лечения остеохондрозов и невритов шейного нерва. Подложка 17, повторяющая форму женской груди, предназначена для лечения воспалительных процессов и фотодинамической терапии рака молочной железы.

На фиг. 3 изображена упрощенная конструкция "фотопластыря" в виде подложки, повторяющей по форме поверхность биообъекта 3 с раной или фурункулом. На рану накладывается тонкий бактерицидный пластырь или прокладка 18, пропитанная лекарством, в частности фотосенсибилизатором, использующимся в фотодинамической терапии. Далее сверху накладывается подложка 19 с встроенными излучателями 1. Фиксаторы 20 в виде медицинской резины служат для стабилизации расстояния между излучателями, а обычный липкий пластырь 21 служит для фиксации фотопластыря на биообъект.

На фиг. 4 изображено комбинированное устройство для реализации фотовакуумной терапии. В урологии при лечении импотенции уже давно используется метод вакуумной терапии, сущность которой заключается в наложении цилиндрической или конической колбы 22 на половой член 23 и поджатии ее к телу в паховой области. Затем с помощью насоса 24 в колбе через канал 25 создается разрежение, под влиянием которого начинается артериальный приток крови, а также удаление продуктов воспалительного процесса из ацинусных каналов. Дополнительно к этому для усиления микроциркуляции в капиллярах и лечения поверхностных патологий осуществляется облучение внешней поверхности биообъекта с помощью излучателей 1, встроенных в коническую подложку 26. Для удобства в схеме фотоматричной системы введены фиксаторы 20 в виде приклеенной к подложке и охватывающей ее медицинской резины.

На фиг. 5а изображена матричная система, в которой излучателями являются дистальные концы световодов 27, объединенные на входе в единый жгут, торец которого освещается источником излучения 28. Концы световодов зафиксированы в подложке 29. Для создания равномерного облучения биообъекта 3 введена дополнительная прокладка 30 с частично зеркальными поверхностями, в которых за счет переотражения излучение перераспределяется по поверхности объекта. Излучение через световод 27 (фиг.5б) помимо подложки 29 может непосредственно вводиться в диффузную частично зеркальную прокладку 30, в которой оно также перераспределяется и попадает на различные зоны биообъекта.

В случае необходимости облучения труднодоступных внутренних полостей, например прямой кишки, используется (фиг.6а) подложка 31 цилиндрической формы, в которой излучатели 1 располагаются на внешней поверхности подложки заподлицо с ней. При облучении полостей относительно малого диаметра, например уретры 32, источники излучения могут располагаться в центральной осевой части цилиндрической подложки, выполненной из оптически прозрачного материала (фиг.6б).

При лечении различных патологий ладони (дерматологических, вывихи, переломы, отеки, порезы и т.п.) можно воспользоваться подложкой 33, повторяющей форму ладони и пальцев (фиг. 7а). При этом излучатели 1 располагаются на внутренней поверхности подложки 33 в форме перчатки ("фотоперчатка"), охватывающей поверхность биообъекта 3. В подложку могут быть также встроены микроэлектростимуляторы для лечения неврологических заболеваний. При лечении травм локтевых или коленных сгибов (фиг.7б) подложка 33 выполняется в виде налокотника или наколенника, как это используется в спорте, на внутренней поверхности которых и располагаются излучатели 1. В последнем случае можно воспользоваться устройством, напоминающем рефлектор настольной лампы (пунктир, фиг.7б), на внутренней поверхности которой расположены излучатели.

При необходимости облучения всего тела (биообъект 3) (фиг.8а) можно воспользоваться конструкцией подложки в виде помещаемых на решетку 34 "скафандра" или "рыцарских доспехов" 35, внутренняя поверхность которых содержит множество соответствующих излучателей 1. Более простое решение заключается в использовании отдельных секций в виде полуцилиндров определенной геометрии с расположением излучателей на их внутренней поверхности. Эти полуцилиндры помещаются на обычную кушетку 34, на которой располагается человек (биообъект 3). Подобные фотоматричные системы весьма перспективны для лечения обширных дерматологических патологий, например, ожогов или язв, надкожной терапии крови, лечение желтухи с использованием светодиодов синего диапазона для фоторазрушения билирубина в крови. При лечении инфекционных заболеваний у новорожденных матрицы синих светодиодов могут быть приложены к внешним прозрачным для излучения стенкам обычных инкубаторов. При необходимости облучения пациента одновременно со всех сторон, например при ожоговых ранах или общей терапии крови (фиг.8б), пациент помещается на прозрачную для излучения кушетку 34 или сетку типа гамака, которые, в свою очередь, вдвигаются внутрь "скафандра" или "рыцарских доспехов" 35, внутренняя поверхность которого с излучателями 1 повторяет форму человека.

На фиг. 9 изображены различные варианты комбинированной матричной фотомагнитной системы. В случае сложной поверхности (фиг.9а) магнитные модули 36 вместе с отдельными излучателями 1, например, в виде катушек Гельмгольца (фиг. 9б) располагаются над соответствующей зоной патологии, в частности над предстательной железой. Воздействие на нее осуществляется как с помощью матрицы инфракрасных светодиодов, так и с помощью импульсного магнитного поля, индуктируемого с помощью импульсного тока в отдельных соленоидах (фиг.9б), собранных в матрицу (фиг.9а). Для случая лечения конечностей (биообъект 3) (фиг. 9в) на область патологии воздействует магнитное поле, создаваемое магнитными модулями 36 соленоидов, между которыми размещаются матрицы излучателей 1.

При эндоскопических применениях отдельные излучатели располагаются не на внутренней поверхности подложки, как описано выше, а уже на внешней поверхности (фиг.10). В биообъекте 3, в частности в кишечном тракте, располагается цилиндрическая капсула 37 с расположенными на внешней стороне электродами электростимулятора 38 и излучателями 1. Внутри капсулы встроена катушка индуктивности 39, корпус капсулы 40 выполнен из биологически инертного материала. С внешней стороны биообъекта на кожном покрове человека размещается постоянный магнит 41, с помощью которого возможно управлением положением капсулы 37, в которую в этом случае встраиваются магнитные микромодули. Источник импульсного магнитного поля 42 служит для наведения электродвижущей силы в катушке 39 для питания электростимулятора и источнике излучения во временном режиме, определяемом блоком 42. Принцип работы достаточно прост: капсула размером 6х15 мм может быть проглочена пациентом и далее после прохождения желудка естественным путем зафиксирована в определенной зоне тонкой кишки, определяемой с помощью ультразвуковой диагностики. Далее включается блок 42 и по заданному режиму управляет комбинированным электрооптическим воздействием на стенки кишки. Капсула может заводиться также с ректальной стороны. Подобная микрокапсула может входить как отдельный микромодуль в состав эндоскопического микроробота, предназначенного для проведения диагностических и лечебных процедур. Отдельные излучатели вместе с микрокатушками индуктивности, собранные в матрицу, позволяют облучать патологические зоны в отсутствие аккумуляторов и соответствующих электропроводов. Это позволяет помещать компактную фотоматрицу, например, под бинт или в ротовую полость.

На фиг. 11 представлены схемы имплантации предлагаемого устройства. В случае онкологической патологии внутренней локализации 43 матрица излучателей 1 имплантируется вблизи зоны патологии, а питание их осуществляется с помощью внешнего блока 44. Подобная схема перспективна для реализации фотодинамической терапии рака для тех случаев, когда излучение от обычных источников с помощью световодов невозможно подвести неинвазивно к области патологии для облучения онкообразований с содержащимися в них фотосенсибилизаторами. Например, это типично для рака молочной и щитовидной железы. Размеры излучателей вместе с индуктивностью могут быть не более ⌀3 x 1 мм, что вполне позволяет их имплантировать внутрь организма. На фиг.11 (б) представлено размещение имплантируемых излучателей в различных зонах уха с целью комбинированной электростимуляции слухового нерва для лечения, в частности, невритов.

На фиг. 12 представлен пример фотоматричной системы, подложка которой состоит из отдельных сегментов. В этой конструкции поверхность биообъекта 3 охватывается с помощью отдельных сегментов 45, имеющих, например, прямоугольную форму. В пределах каждого сегмента излучатели 1, например светодиоды, располагаются равномерно. Сегмент может быть выполнен монолитного интегрального типа с припаянными гибридными светодиодными кристаллами, покрытыми защитной, прозрачной для излучения пластиной 46, играющей одновременно роль фиксатора, задающего среднее расстояние между поверхностью биообъекта и светодиодами. Отдельные сегменты соединены между собой гибкой связью пружинного типа и могут вплотную примыкать друг к другу. На фиг.12 показан поперечный разрез конструкции. В другом направлении сегменты могут иметь большой размер и, в свою очередь, могут быть разбиты на отдельные секции. Такая конструкция может использоваться для облучения отдельных конечностей, шеи, а также охватывать все тело в области легких, желудка или урологического тракта.

На фиг. 13 представлена общая схема, поясняющая принцип построения и методы расчета описанных выше фотоматричных систем. Биообъект 3 сложной формы охватывается подложкой 47 с размещенными на ней излучателями 1, в частности светодиодами. Условные обозначения: h - среднее расстояние между поверхностями подложки и биообъекта, d - расстояние между соседними источниками, R - радиус светового пятна на поверхности объекта, α - половинный угол расходимости излучения от источника. Оценки основных параметров в первом приближении можно получить из выражений (1-3). Например, для создания плотности мощности на биообъекте I = в 100 мВт/см², что необходимо для случая фотодинамической терапии, при помощи одного светодиода Р=10 мВт при облучении дерматологической патологии общей площадью 400 см³ в соответствии с выражением (3) для τ≈1 необходимо около 4000 светодиодов или 10 светодиодов на 1 см² подложки. Изменяя индикатрису излучения светодиодов с помощью оптических систем, можно регулировать размер световых пятен на биообъекте от каждого светодиода, а также степень их перекрытия. В предельном случае для создания равномерной освещенности световые пучки как минимум должны касаться друг друга, т.е. в этом случае k=1 и выражение (2) дает соотношение d≅2R. Для создания более равномерной освещенности необходимо обеспечить более сильное перекрытие пучков (k>2), что достигается увеличением угла α и уменьшение расстояния между излучателями d. При этом снижается требование к мощности каждого излучателя с одновременным увеличением общего числа излучателей.

Примеры конкретных реализаций устройства.

Лучший вариант. Пример 1
Фотоматричное устройство для лечения различных патологий конечностей: ударов, переломов, ожогов, отеков, инфицированных ран, язв различной природы, артритов, дерматологических патологий, включая рак кожи, псориазы, келоидные рубцы и т.п., а также для реализации фотодинамической терапии на основе фотосенсибилизаторов применительно как к онкологическим, так и к неонкологическим заболеваниям. Геометрическая форма устройства - удлиненный полый цилиндр с размещением светодиодов на внутренней поверхности, обращенных выходными окнами внутрь цилиндра. Форма внутренней поверхности зависит от формы биообъекта и может быть близка к цилиндрической, конической и сферической или их комбинации.

Пример цилиндрической секции для лечения постмастэктомических отеков руки у женщин после радикальной операции по поводу рака молочной железы. Диаметр 200 мм, длина 300 мм, выполнена из пластмассы и состоит из двух половинок, которые могут раскрываться для удобства фиксации на руке пациентки. На внутренней поверхности цилиндра размещены светодиодные излучатели фирмы "Кирхбрайт" в количестве 240 со средним расстоянием между отдельными излучателями 30 мм. Длина волны излучателя: 0,67 мкм. Мощность каждого излучателя, работающего в непрерывном режиме, составляет 5 мВт, средняя плотность излучения на поверхности биообеъкта достигает около 1 мВт/см². Светодиоды включены последовательно-параллельно. Питание осуществляется от сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц. На торцах фотоматричной системы размещены два резиновых кольца диаметром 5 см, соединенных с поверхностью цилиндра тремя пружинами, размещенными друг относительно друга под углом 120^o. Рука пациента вводится последовательно в два резиновых кольца и за счет пружин она фиксируется вблизи оси цилиндра. Общий вес цилиндра не превышает 0,5 кг, что позволяет находиться пациенту в вертикальном положении и легко выдерживать нагрузку от описанного устройства. Один сеанс облучения длится 30 минут. Всего процедур 10 в течение 10 дней.

Описанное устройство при возможности касания поверхности руки может быть реализовать в виде отдельных плоских сегментов прямоугольной формы с размерами 15x60 мм. Для равномерного охвата руки в области запястья необходима секция, включающая примерно 9-12 подобных сегментов, соединенных гибкой связью (фиг. 12). Одна такая секция может быть использована для терапии крови, для лечения локальных патологий. В случае более обширных патологий можно использовать до 4-5 таких секций. В пределах одного сегмента возможно размещение до 10 светодиодов в два ряда по 5 светодиодов в каждом ряду.

Пример 2
Фотопластырь для получения локтевого сгиба с травмой после удара. Форма матричного облучателя близка к полусфере с радиусом 50 мм. Длина волны красных светодиодов 0,63 и инфракрасных 0,85 мкм. Мощность излучения около 10 мВт на длине волны 0,63 мкм и 0,3 Вт на длине волны 0,85 мкм. Количество световодов 88. Облучатель встроен в налокотник, используемый волейболистами, и фиксируется за счет эластичной материи. Питание автономное от двух батареек типа "Крона". Один сеанс светотерапии длится 15 минут. Всего сеансов шесть в течение одной недели.

Пример 3
Магнитолазерное устройство для лечения хронического простатита. В качестве излучателей используются полупроводниковые лазеры на GaAs с длиной волны 0,89 мкм, пиковой мощностью 5 Вт, длительностью импульса 10^-7 с и частотой повторения 800 Гц. В простейшем случае возможно использование одного лазера, расположенного в центре соленоида в виде катушки Гельмгольца диаметром 10 см. Такой модуль может использоваться и автономно, например для лечения нервно-мышечных патологий и простатита. Для облучения внутренних органов в силу рассеяния энергии необходимо использовать девять излучателей, один из которых располагается в центре и восемь равномерно по окружности. Величина индукции импульсного магнитного поля вблизи поверхности составляет около 1 Тл, длительность импульса ~1 мс. Соленоиды в количестве 6 штук равномерно размещаются по телу вокруг предстательной железы и фиксируются ремнем. Время одного сеанса 20 минут. Общее количество сеансов 6, назначаемых через день.

Пример 4
Устройство с дистанционным питанием. В качестве излучателя используется компактный светодиод размером 3х3 мм (производство завода "Старт", Москва), длина волны 0,65 мкм, мощность 0,5 мВт, внутреннее сопротивление 150 Ом, ток питания 5 мА. Блок внешнего питания выполнен в виде плоского соленоида, формирующего импульсное магнитное поле напряженностью 0,4 Тл и длительностью 1 мс. В компактной катушке индуктивности такое поле наводит напряжение ЭДС порядка 10 В, которое в замкнутой цепи с нагрузкой на светодиод обеспечивает протекание тока около 12 мА, что вполне достаточно для питания светодиодов. Светодиоды вместе с катушками индуктивности размером ⌀ 3 х 5 мм размещаются по поверхности матрицы, используемой для облучения ротовой полости (фиг.2 поз. 6). Количество светодиодов 16. Область применения - лечение воспалительных процессов в полости рта.

В качестве излучателей в предлагаемом изобретении могут использоваться практически многие источники, уже применяемые в фототерапии, например, различные типы лазеров, светодиодов, лампы накаливания со светофильтрами, газоразрядные и люминесцентные лампы (неоновые, ксеноновые, ртутные и т.п.) и т.д. В последнем случае размеры газоразрядных элементов целесообразно минимизировать. В случае облучения биообъекта в форме, близкой к цилиндрической, например конечностей, газоразрядные колбы могут быть выполнены в виде тонких цилиндров, равномерно расположенных вокруг конечностей с осями, параллельными усредненной оси конечности. Зеркальная поверхность подложки может охватывать эти источники, т.е. конструкция облучателя подобна конструкции источников накачки в лазерных системах, за исключением лишь того, что в область, где размещался активный элемент, помещается конечность. В зависимости от медицинской задачи источники могут работать в различных спектральных диапазонах, преимущественно от 0,2 до 3 мкм, с различной степенью монохроматичности от 10^-3 до 10³ нм.

Источники информации
1. Илларионов В.Е. Основы лазерной терапии. - М.: Респект, 1992, с.26, 21, 71-80.

Реферат

Изобретение относится к устройствам для физиотерапевтического облучения пространственно протяженных патологий, включая дерматологию, косметологию, лечение травм, ушибов, отеков, варикозного расширения вен, терапии крови, лечение инфекционных процессов. Облучение проводят светом с помощью матрицы оптических излучателей. Матрица состоит из лазерных или светодиодных источников, размещаемых на поверхности подложки. Форма подложки подобна форме патологической зоны. Дополнительно устройство содержит фиксаторы и держатель для закрепления подложки относительно биообъекта. Предусмотрены дополнительные модули для регулировки температуры, давления, состава газа над областью патологии. В качестве излучателя используют химические реакции, сопровождающиеся люминесценцией продуктов реакции. Блок питания может быть автономным с внешним дистанционным питанием посредством импульсного магнитного поля. Предусмотрен дополнительный оптически прозрачный колпак для локализации патологии, а также рассеивающие излучение прокладки для более равномерного облучения биообъекта. Устройство позволяет облучать протяженные патологические зоны, поверхности сложной геометрии с исключением попадания излучения в соседние зоны. Устройство позволяет производить фиксацию заданного рассеяния между излучателями и биообъектом по всей протяженности патологической зоны. 38 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формула