Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Анализ литературных данных использования для медицинских целей когерентных и некогерентных источников излучения оптического диапазона
1.1. Теоретические исследования фотофизического и фотохимического воздействия на организм лазерного и некогерентного излучения 21
1.2.1. Роль квантовой природы света 22
1.1.1. Фотобиологическая роль спектральной характеристики 22
1.1.2. Биофизика воздействия светом красного диапазона спектра излучения 23
1.1.3. Биофизика воздействия светом зеленого диапазона спектра излучения 27
1.1.4. Биофизика воздействия светом синего диапазона спектра 28
1.1.5. Биофизика воздействия светом желтого диапазона спектра 29
1.1.6. Роль дозы светового облучения 29
1.2. Медико-биологическое и техническое обоснование выбора некогерентных излучателей 32
1.2.1. Технические и медицинские требования к излучателям 32
1.2.2. Сравнительные исследования фотобиологической активности лазеров и некогерентных излучателей 34
1.2.2.1. Воздействие низкоинтенсивного свето-лазерного излучения на процесс интерферообразования у человека 35
1.2.2.2. Биостимуляция клеток и стимуляция синтеза ДНК облучением некогерентным светом (in vitro) тепловых излучателей 40
1.2.3. Типы некогерентных излучателей для аппаратурной реализации
оптико-электронных устройств для медицины 41
1.2.3.1. Суперяркие светодиоды для свето- (цвето) терапии 41
1.2.3.2. Тепловые излучатели - галогенные лампы накаливания для фотодинамической терапии 45
1.2.3.3. Импульсные газоразрядные ксеноновые лампы как излучатели для дерматологии 54
Глава вторая. Принципы построения и аппаратурная реализация физиотерапевтических оптико-электронных устройств на основе суперярких светодиодов 60
2.1. Аппаратура на основе светодиодных матриц для лечения ограниченных патологий 67
2.1.1. Матричный излучатель на основе суперярких светодиодов красного цвета свечения 70
2.1.2. Матричный излучатель на основе суперярких светодиодов зеленого и синего цвета свечения 77
2.2. Принципы построения терапевтических аппаратов на основе светодиодных матричных систем 78
2.2.1. Постановка задач для формирования алгоритма построения матричных систем 78
2.2.2. Определение формы и первоначальных размеров матричной системы 80
2.2.3. Определение общего количества светодиодов в матричной цилиндрической системе 81
2.2.4. Распределение светодиодов по поверхности цилиндрической системы с учетом потерь на краях матриц 83
2.2.5. Корректировка расстояний между светодиодами 83
2.2.6. Расчет допустимых расстояний между матричной системой и облучаемой поверхностью 83
2.2.7. Расчет краевых потерь излучения 86
2.2.8. Расчет ограничений 87
2.2.9. Расчет краевых эффектов 88
Глава третья. Принципы построения и аппаратурная реализация оптико-электронных устройств на основе галогенных ламп для фотодинамической терапии
3.1. Аппарат с доставкой излучения с помощью светового кабеля 90
3.2. Аппарат с доставкой излучения с помощью конденсора. 95
3.3. Автоматизированная система расчета и контроля технологии изготовления интерференционных фильтров 99
3.3.1. Технические требования 99
3.3.2. Разработка конструкции интерференционных фильтров 102
3.3.3. Автоматизированный метод расчета полосы пропускания интерференционных фильтров 108
3.3.4. Расчет полосы пропускания и технология изготовления фильтров для спектрального диапазона 650-690 нм 111
3.3.5. Расчет полосы пропускания и технология изготовления фильтров для спектрального диапазона 550-590 нм , 117
3.4. Расчет плотности мощности облучения 120
3.5. Принципы построения и аппаратурная реализация прибора для измерения плотности мощности излучения 121
3.6.Аппаратурная реализация аппарата с доставкой излучения через световой кабель 128
Глава четвертая. Принципы построения и аппаратурная реализация оптико-электронных устройств на основе газоразрядных импульсных ламп для дерматологии
4.1. Принципы построения аппаратов-аналогов на основе твердотельных лазеров и импульсных газоразрядных ламп 132
4.1.1. Принципы построения оптико-электронных аппаратов-аналогов на основе импульсных твердотельных лазеров 132
4.1.2. Принципы построения оптико-электронных аппаратов на основе импульсных газоразрядных ламп 142
4.1.3. Назначение и описание работы основных функциональных блоков установки «Полюс-Ксенон» 145
4.1.4. Расчет КПД отражателя, плотности мощности излучения и интерференционного фильтра 151
4.1.5. Обоснование и реализация методики измерения плотности потока облучения импульсной лампы 153
Глава пятая. Опытно - экспериментальные и клинические исследования. Практическая значимость полученных результатов внедрения
5.1. Опытно-экспериментальные исследования стимулирующего действия низкоинтенсивного лазерного и некогерентного излучений in vitro и in vivo 165
5.2. Сравнительные результаты применения серийных терапевтических аппаратов типа АТС-01/660 («Тера Фот») для лечения обширных патологий... 184
5.3. Сравнительные результаты применения аппаратов АТО-1-150 для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии 190
5.4. Сравнительные результаты клинического использования аппаратов «Полюс-Ксенон» и «Фото-Дерм» 196
Заключение (основные результаты и выводы)
Список литературы
- Роль дозы светового облучения
- Тепловые излучатели - галогенные лампы накаливания для фотодинамической терапии
- Матричный излучатель на основе суперярких светодиодов красного цвета свечения
- Аппарат с доставкой излучения с помощью конденсора.
Введение к работе
Актуальность. Традиционная фотобиология с использованием тепловых источников
света успешно развивалась в течение многих лет. Появление источника света - лазера,.
излучение которого обладает такими основными свойствами как когерентность, моно
хроматичность и поляризация, позволяло реализовать новые лазерные медицинские
технологии в диагностике, терапии, хирургии, офтальмологии и др. >'
Однако, при прохождении через образцы биотканей (кожу, кость, скелетную мышцу,
печень, мозг крысы) толщиной более 200 мкм лазерный луч теряет когерентность и
поляризацию, сохраняя монохроматичность (Синяков B.C. и др, 1983 г.). Подтвержде
нием этого являются работы Т.Й. Кару, Г.С. Календо и др. (1982-83 г.г.), В.М. Чуднов-
ского, Г.Н. Леонова и др. (2002 г.), в которых изложены положительные эффекты от
воздействия излучения некогерентных источников света на биологические объекты. Из
литературных источников известно, что действие излучения лазерных и некогерентных
источников на биообъекты примерно одинаково. Это объясняется тем, что решающим
фактором здесь является монохроматичность излучения и совпадение ее длины волны с
максимумом полосы стимуляции биообъектов. Поскольку ширина этой полосы в био
среде, находящейся преимущественно в конденсированном состоянии, достаточно ве
лика и составляет 4СН-60 нм, то и к монохроматичности излучения предъявляют не
слишком жесткие требования (Илларионов В.Е., 1992 г.). Это позволяет в ряде случаев
использовать как лазерные источники излучения, так и более дешевые (в 10-15 раз)
некогерентные, превосходящие порой лазеры по энергетическим.параметрам.
На момент начета работы над диссертацией опубликованных исследований по при
менению некогерентного излучения (сравнительно с лазерами) было мало. Однако,
следует отметить работы по использованию в терапевтических целях излучения свето-
диодов, например, в аппаратах «Мустанг», «Милта» и «Рикта», «Узор», «Дюна» и др.,
а также работу Атрощенко В.И. и др. (1996 г.) по использованию низкоинтенсивного
импульсного излучения газоразрядных ламп в детской онкологии.
Производство суперярких светодиодов (световая отдача >20 лм/Вт), малогабаритных
галогенных ламп (18x45, с отражателем 050 мм, световая отдача >30 лм/Вт)' и трубча
тых импульсных (ксеноновых) газоразрядных ламп (5x45 мм, освечивание >150 кд-с) с
улучшенными характеристиками и новейшие оптические технояогии-иозви-лидтсозда-
вать устройства медицинского назначения на их основе. &" &п::отska
-4-Следовательно, возникает актуальная необходимость, основываясь на сопоставлении действия лазерного и некогерентного излучений на биообъекты, разработать принципы построения и аппаратурно реализовать дешевые (в сравнении с лазерами) устройства на основе суперярких светодиодов, галогенных и импульсных газоразрядных ламп, а также разработать контрольно-измерительное и методическое обеспечение лечения. Цель работы. Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также выполнение расчетных, схемотехнических, конструкторских и техноло- , гических решений, направленных на разработку принципов построения и аппаратур- __ ную реализацию оптико-электронных устройств на основе некогерентных источников излучения для медицины.
Задачи исследований: 1) анализ литературных данных использования для медицинских целей когерентных и некогерентных источников излучения оптического диапазона; 2) экспериментальные сравнительные исследования in vitro и in vivo воздействия излучения лазерных и некогерентных излучателей на биологические объекты; 3) медико-техническое обоснование выбора иекогерентных излучателей; 4) разработка принципов построения и аппаратурная реализация устройств на основе: суперярких светодиодов для терапии ограниченных (~6 см2) и обширных патологий (=2000 см2); галогенных ламп для фотодинамической терапии с использованием фотосенсибилизатора «Фотосенс»; импульсных ксеноновых газоразрядных ламп для проведения высокоинтенсивных световых неинвазивных процедур; 5) разработка контрольно-измерительного и методического обеспечения лечебных процедур; б) оценка результатов практического применения в медицине устройств на основе некогерентных источников. Методы исследований. При проведении исследований автором использовались: 1) модель качественной оценки влияния дозы воздействия светового излучения на био-' объекты (закон Арндта-Шульца); 2) метод хемилюминесценции; 3) графические модели фотобиологической активности лазерного и некогерентного излучений (закон Грот-гуса-Дрейпера); 4) фотофизическая модель фотодинамического эффекта; 5) графическая модель оптической прозрачности биоткани; 6) методы Г. Фримеля и А. Бейума; 7) методы измерения мощности и энергии некогерентного излучения. Научная новизна. 1. Научный характер разработки принципов построения оптико-электронных устройств медицинского назначения на основе суперярких светодиодов, галогенных и импульсных газоразрядных ламп подтверждается совокупностью ана-
-5-лиза литературных данных и опытно-экспериментальных результатов сравнительных исследований воздействия (in vitro и in vivo) лазерного и некогерентного излучений на биообъекты, медико-техническим обоснованием использования конкретных типов некогерентных излучателей, а также контрольно-измерительным и методическим обеспечением процессов лечения.
2. Предложены и реализованы автором: а) алгоритмический метод построения физиотерапевтической аппаратуры на базе суперярких светодиодов, научная новизна которого в совокупности основывается на учете топологии биообъекта, геометрических и энергетических характеристик светодиодов и формы облучателя с целью достижения необходимой равномерной освещенности, на контрольно-измерительном и методическом обеспечении лечения ограниченных и обширных патологий; б) метод построения устройств на базе галогенных ламп, научная новизна которого в совокупности основывается на автоматизированной системе расчета и контроля технологии изготовления узкополосных интерференционных фильтров, позволяющих совместить спектр поглощения фотосенсибилизатора и спектр действия с целью обеспечения фотодинамического эффекта, контрольно-измерительном и методическом обеспечении лечебных процедур; в) метод построения устройств на базе импульсных газоразрядных ксеноно-вых ламп, научная новизна которого в совокупности основывается на автоматизированной системе расчета и контроля технологии изготовления узкополосных интерференционных фильтров, позволяющих получить узкополосное излучение, на обосновании и реализации методики измерения облученности и методическом обеспечении лечения дерматологических заболеваний.
В работе впервые сформулированы общие принципы построения и оптимизации многофункциональных устройств (на базе некогерентных источников), основанные на разработке методов, которые позволяют создавай эти устройства и изменять их функции в зависимости от медицинского назначения путем замены источников излучения без существенной переработки их конструкции.
Практическая значимость работы. 1. Созданы при участии автора: а) зарегистрированный Минздравом РФ и сертифицированный Госстандартом РФ аппарат терапевтический светодиодный АТС-01/660 «Тера Фот» на основе суперярких светодиодов для лечения обширных патологий; б) аппарат терапевтический онкологический АТО-1-150 на основе галогенной лампы с узкополосным фильтром для фотодинамической терапии
с использованием фотосенсибилизатора «Фотосенс» (и возможным применением других фотосенсибилизаторов типа «Фотогем», «Радахлорин», при условии замены узкополосных интерференционных фильтров), на который Минздравом РФ утверждены медико-технические требования, разрешающие проведение технических и клинических испытаний с последующей регистрацией и сертификацией аппарата. 2. Полученные результаты используются: а) при разработке и серийном производстве ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха аппаратуры на основе некогерентных источников излучения для медицины; б) в руководстве врачам для выбора техники и методик процедур свето-лазерной терапии; в) в учебном процессе Московского энергетического института (Технического университета) при изучении дисциплины «Оптико-электронные приборы для медицины».
Положения, выносимые на защиту.
-
Теоретические и опытно-экспериментальные исследования результатов, сравнительного воздействия лазерного и некогерентного излучений на биообъекты в сочетании с расчетами, схемотехническими, конструкторскими и технологическими решениями, а также с контрольно-измерительным и методическим обеспечением процессов лечения, позволяют разработать принципы построения оптико-электронных устройств на основе некогерентных источников излучения для медицины.
-
Метод построения физиотерапевтической аппаратуры на базе суперярких свето-диодов, в совокупности основывающийся на разработке алгоритма её проектирования, учитывающего энергетические и геометрические параметры светодиодов, форму и размеры облучаемой биоповерхности, а также контрольно-измерительное и методическое обеспечение позволяют создать аппаратуру лечения обширных патологий.
-
Метод построения оптико-электронных устройств на базе галогенных ламп, в совокупности основывающийся на автоматизированной системе расчета и контроля технологии изготовления узкополосных интерференционных фильтров, позволяющих совместить спектры действия и поглощения, а также способы доставки излучения на биообъект и контрольно-измерительное и методическое обеспечение позволяют реализовать аппаратуру лечения заболеваний методом фотодинамической терапии.
-
Метод построения оптико-электронных устройств на базе высокоинтенсивных импульсных источников света, основывающийся на автоматизированной системе расчета и контроля технологии изготовления интерференционных фильтров для получения уз-
-7-кополосного излучения, а также методика контроля величины облученности и методическое обеспечение позволяют разработать аппаратуру для проведения неинвазивных дерматологических процедур.
Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались и обсуждались: 1) на Международной конференции и Научно-практической конференции Северо- Западного региона РФ «Лазерные и информационные технологии в медицине XX века» (Санкт-Петербург, 2001); 2) на Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Москва, 2001); 3) на Научно-практической конференции «Актуальные вопросы медицинской реабилитации больных и инвалидов» (Москва, 2001); 4) на Научно-практической конференции «Электрости-муляция-2002» (Москва, 2002); 5) на десятой ежегодной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии - 2002» (Санкт-Петербург, 2002); 6) на V Международной конференции по реабилитологии (Москва, 2004); 7) на научно-техническом семинаре «Молодые светотехники России» (Москва, 2004).
Основное содержание работы опубликовано в 14 печатных работах, в том числе двух монографиях (с соавторами) и в двух учебных пособиях, список которых приведен в конце диссертации.
Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации получены лично соискателем или в соавторстве при его непосредственном участии. Автором лично сформулированы научные задачи, выбраны пути их решения, предложены методы и схемы экспериментальных исследований.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается: согласованием теоретических и собственных медико-биологических и технических исследований для обоснова-с ния выбора источников некогерентного излучения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и списка литературы. Основной текст диссертации изложен на 212 страницах. Список литературы включает 120 библиографических источников. Диссертация проиллюстрирована рисунками, таблицами и графиками.
Роль дозы светового облучения
Технические требования к излучателям логически следуют из особенностей их применения в медицине. Суперяркие светошлучающие диоды. Светодиод - представляет собой полупроводниковый диод с р-и-переходом, протекание тока через который в прямом направлении вызывает интенсивное некогерентное излучение [37, 38, 73]. Это определение распространяется и на структуры металл-оксид-полупроводник (МОП), состоящие из нанесенных на полупроводник изолятора- оксида и металла. В основе работы полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) лежит ряд физических явлений, важнейшие из них; инжекция неосновных носителей заряда в активную область структуры; излучательпая рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры. Его работа основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу). Таким образом, электрический ток преобразуется в излучение, а роль люминофора выполняют р-п или п-р переходы. Протекание тока вызывает рекомбинацию (компенсацию) электронов и дырок и, соответственно, выделение квантов излучения. Этот вид люминесценции называют инжек-ционной электролюминесценцией. Глава 1 Диаграмма направленности излучения светодиода значительно шире, чем у лазера, что обусловлено хаотичностью направлений распространения отдельных генерируемых фотонов. В данной работе будут рассматриваться светодиоды только видимого диапазона, интенсивность излучения которых характеризуется силой света /„ или световой отдачей ( 20-40 лм/Вт) Суперяркие светоизлучающие диоды имеют: а) малые габаритные размеры; б) широкий спектральный состав (требуемый цвет свечения); в) достаточная сила света или мощность излучения (для ИК-светодиодов); г) сравнительно небольшое угловое распределение излучения (диаграмма направленности); д) высокое быстродействие (импульсный режим работы); ж) спектр излучения близок к монохроматическому; и) совместимость с транзисторными микросхемами; к) надежность и значительный срок службы (до 105 ч); л) возможность использования для локального лечения; м) возможность создания матриц для лечения ограниченных патологий («6 см2) и матричных систем для лечения обширных патологий (« 2000 см2) патологии. Тепловые излучатели (галогенные лампы) [17,39]. Тепловые излучатели имеют: а) высокий световой КПД (световая отдача 30 лм/Вт); б) эффективный коэффициент теплового излучения; в) допустимое спектральное распределение излучения; г) стабильные параметры в широком диапазоне излучения; д) возможность получения низкоинтенсивного узкополосного излучения (за счет применения интерференционных фильтров) в пределах 30-40 нм, Глава 1 Газоразрядные импульсные лампы сверхвысокого давлении (ксеноновыс лампы) [17,29]. Газоразрядные импульсные лампы имеют: а) необходимый спектральный состав излучения (300-3000 нм); б) простоту стабилизации напряжения питания; г) линейный характер эксплуатационных характеристик (поток излучения и мощность про порциональны напряжению); д) регулирование спектрального состава параметрами источника питания; е) высокую величину освечивания ( 150 кд-с); ж) импульсный режим работы (спектр излучения в видимой области сплошной и соответст вует цветовой температуре 6000 К, сплошное излучение играет заметную роль в видимой области); и) зависимость спектра излучения газового разряда от типа газа или пара металла, их давления в колбе и температуры (при низких давлениях и температуре спектр - линейчатый, при увеличении давления и температуры линии излучения расширяются); к) возможность получения высокоинтенсивного узкополосного излучения в видимой области спектра (за счет применения интерференционных фильтров) в пределах 30-40 нм; л) низкая стоимость; м) использование дугового и тлеющего разрядов (область тлеющего разряда характеризуется малой плотностью тока у катода и высоким катодным падением потенциала - 50-400 В, дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока у катода = 10 2-104 А/см2 и небольшим падением потенциала =10 В).
Тепловые излучатели - галогенные лампы накаливания для фотодинамической терапии
Физические основы фотодинамической терапии. Фотодинамическая терапия — это двух компонентный метод лечения [89, 90, 91]. Первый компонент — фотосенсибилизатор, вводимый в организм и который имеет свойство накапливаться в основном в раковых клетках, осуществляя частичный их некроз (омертвление). Второй компонент - низкоинтенсивное, не допускающее перегрева ткани (100 - 400 мВт/см2), излучение видимого диапазона (лазерное или некогерентное узкополосное), спектр излучения (действия) которого должен совпадать со спектром поглощения фотосенсибилизатора. Фотосенсибилизатор необходимой дозы вводится внутривенно. Например, оптимальная доза фотосенсибилизатора типа «Фотогем» составляет 1,5 - 2,0 мг/кг, «Фотосенса» -0,5 - 1,0 мг/кг. Плотность световой энергии равна 250-400 Дж/см , при распространенных инфильтруемых опухолях дозу повышают до 600 Дж/см [87]. Потоком крови фотосенсибилизатор разносится по всем органам, и сортируется как здоровыми тканями, так и опухолью. На определенном этапе концентрация фотосенсибилизатор в опухоли будет превышать концентрацию в окружающих тканях. Через 24 - 48 часов на опухоль воздействуют низкоинтенсивным видимым световым излучением с длиной волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора. Фотосенсибилизатор, погло 46 Глава 1 щая энергию кванта света (й v) в присутствии молекулярного кислорода (Oj) вызывает фотохимическую реакцию с образованием синглетного кислорода ( 02), который цитоксически (разрушительно) действует на опухолевые клетки. Ог +hv=]02 -»6иоэффект (1.6) В течение 4-8 недель после лечения происходит резорбция (некроз - омертвление) опухоли и замене ее соединительной тканью. Наряду с фотодинамическим эффектом используется в фотодинамической терапии и светокислородный эффект. Светокислородный эффект обеспечивает повреждение, а при малых световых дозах, активирование клеток посредством синглетного кислорода ( 02) из растворенного в клетках триплетного кислорода ъОг согласно реакции [22]: ъ02 - Av- a2 - биоэффект (1.7), где 302 - триплетное состояние кислорода. Фазы проявления светокислородного эффекта аналогичны фазам проявления фотодинамического эффекта. Световые дозы фотодинамического и светокислородного эффектов сравнимы. Таким образом, в основе метода фотодинамической терапии рака лежит фотодинамический и светокислородный эффекты - фотосенсибилизированное повреждение клеток в присутствии света и кислорода. За основными фотофизическими процессами в молекуле фотосенсибилизатора следует, как правило, тушение триплетного уровня фотосенсибилизатора молекулярным ки слородом, преимущественно по механизму переноса энергии с образованием синглетного кислорода[22]: Г, +02(32) -»S0 +02( ДГ), (1.10) Глава 1 где So - основное невозбужденное состояние кислорода; S/ - возбужденное синглетпое состояние кислорода; Ті- возбужденное триплетное состояние кислорода 1 Ylg - энергия инверсии триплетного кислорода; Д - энергия инверсии синглетного кислорода. Во многих случаях квантовый выход синглетного кислорода близок к единице. Роль синглетного кислорода. В фототерапии рака исходным агентом преимущественно считают синглетный кислород, что объясняется его высокой химической активностью. Вступая с биомолекулами М в реакцию ОІ+М = МО2, синглетный кислород повреждает, например, липосомы 200 раз эффективнее, чем супероксид - анион О . Синглетный кислород может участвовать в цепных свободно-радикальных реакциях, окислять аминокислоты в белках, гуанин в ДНК, производить перекисное окисление липидов и т.д. Итогом подобных нарушений при превышении репаративных возможностей клетки становится ее деструкция.
Такое многообразие реакций, возможно, связано со значительным временем жизни синглетного кислорода, составляющим 10 - 10" с в водных растворах биомолекул и клеточных суспензиях. При коэффициенте диффузии 10"s см2/с молекула синглетного кислорода успевает сместиться на несколько нанометров от места своей генерации, прежде чем произойдет ее дезактивация [22].
Источники облучения фотосенсибилизатора. Облучение опухоли источниками света производится как когерентными (лазерными), а так и нелазерными, длина волны которых находится вблизи максимальной длинноволновой полосы поглощения фотосенсибилизатора.
Стандартные метрологические методики фотодинамической терапии до сих пор не разработаны, поэтому лечащие врачи назначают отпускаемую световую дозу, сообразуясь с накопленным опытом, Глава 1
Хорошо известно, что прямой фотопереход ъОг- Ог дважды запрещен на основании спиновых и орбитальных правил отбора, в связи с чем возможность фотогенерации, т.е. прямого возбуждения синглетного кислорода без фотосенсибилизатора, не вызывала раньше заметного интереса. Световые дозы, при которых разрушаются раковые клетки при светоки-слородном эффекте, являются такого же порядка, что и в случае фотодинамического эффекта [22].
Матричный излучатель на основе суперярких светодиодов красного цвета свечения
Для реализации данной задачи были использованы данные, отраженные в разделе 2.1.1: 1) технические и медицинские требования; 2) общие принципы построения оптико-электронных устройств на основе некогерентных излучателей; 3) разработанные и реализованные принципы построения аппарата на суперярких светодио-дах красного цвета свечения (У-320Б) типа АСТП-4-1; 4) вся конструкторская и элементная база АСТП-4-1 кроме светодиодов; 5) типы излучательных светодиодов У-118И (зеленого цвета свечения) и У-118С (синего света свечения), параметры которых приведены в таблице 1.5, а геометрические размеры - на рис. 1.11. Глава 2
Для выполнения технических и медицинских требований в излучателе на площадке у S-6 см необходимо разместить по четыре светодиода. Используя схемотехнические и конструкторские решения раздела 2.1.1, при участии автора были созданы промышленные образцы аппаратов светотерапевтических полупроводниковых типа: - АСТП-4-2 (АСТП-12/0,52-4-2) с длиной волны излучения 520 нм и мощностью облучателя 12 мВт для лечения дерматологических и воспалительных заболеваний; - АСТП-4-3 (АСТП-12/0,45-4-3) с длиной волны излучения 450 нм и мощностью облучателя 12 мВт для лечения инфицированных и гнойных ран. 2.2. Принципы построения терапевтических устройств на основе светодиодных матричных систем
На кафедре «Биомедицинские технические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и в НИИ «Полюс» (Договор №85/250 от 19 февраля 1998 г.) при участии автора были проведены работы по разработке и внедрению в медико-биологическую практику светотерапевтических систем, предназначенных для облучения пространственно-протяженных патологий органов и тканей ( Л 2000 см2) низкоэнергетическим (0,5 - 1 мВт/см1) квазимонохроматическим излучением красного диапазона спектра. Поэтому целью настоящего раздела главы является обоснование для методов лечения обширных патологий, принципов построения аппаратов на основе светодиодных матричных систем, отличием которых от аппаратов типа АСТП-4 является то, что одновременно в облучении ткани участвует не одна матрица из 6 светодиодов, а 24 матрицы по 14 светодиодов в каждой [21, 70]
Постановка задач построения матричных систем Основное предназначение аппарата на основе матричных систем - лечение постма-стэктомического лимфостаза верхней конечности, который закономерно развивается у всех больных, перенесших радикальное лечение по поводу рака молочной железы (Л.З. Велыпер, 1981, рис. 2,14) [20], а также других обширных патологий [8, 9]. Для обеспечения равномерного распределения светодиодного излучения по периметру облучения аппарат должен иметь жесткую разъемную цилиндрическую конструкцию с фиксаторами, которые позволяют разместить конечность по оси прибора. Цилиндрическая конструкция позволяет обеспечить схему лечения, показанную на рис. 2.15.
Таким образом, можно сформулировать исходные данные для решения задачи построения алгоритма проектирования аппарата: 1) энергетические и геометрические параметры светодиодов (табл. 1.5, У-98Г, рис. 1.11); 2) форма облучаемой поверхности - цилиндр; 3) размеры облучаемой цилиндрической поверхности Ьсц, rcil у - длина образующей, радиус и угол разворота соответственно; 4) заданное среднее значение плотности мощности на облучаемой поверхности и допустимое отклонение от этого значения - (o±d) 0,5±0,05 мВт/см2; 5) расстояние между поверхностью матричной системы и облучаемой поверхностью (w 50 мм); 6) ограничения, наложенные на расстояние между светодиодами и на расстояние между поверхностью матричной системы и облучаемой поверхностью; 7) расчеты должны отразить необходимое количество светодиодов на образующей и на дуге соответственно Ncii, и Nerc, расстояние между светодиодами на образующей - йсц\ угол между светодиодами на дуге - =І/Ї(2Є0)5)=15О (табл. 1.5); радиус матричной системы - Лсц.
Аппарат с доставкой излучения с помощью конденсора.
КПД отражателя. Зеркальные светильники имеют высокий КПД, что объясняется отсутствием в них многократных отражений света, а с ними дополнительных потерь светового потока. При расчете КПД зеркального отражателя предполагают, что поверхность отражателя однородна и коэффициент ее отражения р одинаков для всех зон и участков, профиль зеркального отражателя гарантирует отсутствие вторичных отражений и пересечения колбы лампы отраженными лучами, вследствие чего световой поток, отраженный оптическим устройством, полностью (без потерь) выходит во внешнюю область,
Лампа, помещенная внутрь светильника, посылает световой поток Ф1 на отражатель, на световое отверстие Ф2 и через горловину отражателя поток ФЗ в область держателя, внутри которой расположены патрон и различные крепежные детали. Эти детали, обладая мальш коэффициентом отражения, практически полностью поглощают падающий на них световой поток, то есть ФЗ можно пренебречь. Таким образом, световой поток зеркального отражателя Фсв состоит из потока, непосредственно вышедшего из лампы через световое отверстие Ф2, и потока, отраженного оптической частью Ф1.
Расчет коэффициента пропускания конденсора. Конструкция конденсора состоит из двух апланатическнх одинаковых линз 2 (рис. 3.4). Конструкция конденсора рассчитывалась таким образом, чтобы весь поток сфокусированный на площадку А, переносился на площадку Л Подбирая расстояния между линзами, толщину и диаметр линз можно добиться прохождения всех лучей через оптическую систему и сфокусировать их в сечении А на площадке не более 1 см2.
Одиночная линза, рассчитанная на минимум сферической аберрации, часто применяется в конструкции конденсора. Примем относительное отверстие конденсора 0=1:2, а диаметр конденсора D=25 мм. Тогда фокусное расстояние будет J=50 мм. В качестве материала конденсора используется стекло марки KS с коэффициентом преломления 0=1,5163. Рассчитаем потери на конденсоре. Коэффициент отражения определяется по форму (и-1)2 ле Френеля р = (3.16) (п + 1)1 Коэффициент пропускания одной линзы определяется как: тл=(1-р)4 (3.17) При «=1,5163 получим р=0,0424, тл=0,9. ,1 Глава З Выделенный интерференционным фильтром световой поток задан узким спектральным диапазоном (650...690 нм) и в пределах этого диапазона коэффициент пропускания линз можно считать не зависящим от длины волны. Следовательно, коэффициент пропускания двух линз ти = гЛ - тЯ1 при гЛ] = г,2 = 0,9 будет равен гг, = 0,81. 3.3. Автоматизированная система расчета и контроля технологии изготовления интерференционных фильтров Основные этапы разработки интерференционных фильтров показаны на рис. 3.6. 3.3.1. Технические требования Оптические фильтры — это элементы, предназначенные для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через них потока излучения. Фильтр - один из важнейших элементов спеоральной селекции. Основной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика - зависимость коэффициента пропускания тх или коэффициента отражения рх от длины волны проходящего (отраженного) потока излучения. Интегральный коэффициент пропускания фильтра в интервале Хі—Хг определяется соотношением }фЛ(А)т(А)А1 - = АТ (3.18) J где Фа(Л) - спектральное распределение потока, падающего на фильтр. Иногда удобнее оценивать фильтр его оптической плотностью Лл=12(1/гЛ) (3.19) Если необходимо выделить заданный спектральный интервал, как правило, применяют набор фильтров с соответствующими спектральными характеристиками. Граничную длину волны Лгр обычно выбирают на уровне 0,1 г . Иногда используют понятие полуширины спектральной характеристики, имея в виду граничные длины волн, соответствующие 0,5 Тьпах- К параметрам фильтра предъявляют следующие требова 100 Глава З Расчёт, конструкция и технология изготовления интерференционных фильтров Т Разработка фильтра с требуемыми параметрами Проведение расчета и разработка конструкции (программа "Multy-wave") Технические требования Запись расчета для установки на вакуумно-напылительное оборудование Выделение заданного спектрального диапазона и области заграждения Анализ спектрального диапазона источника излучения Метрологическое обеспечение Проведение предварительных технологических процессов Корректировка расчета КОЄ v Напыление готового изделия J Установка в оборудование ] Рис. 3.6. Этапы разработки и изготовления интерференционных фильтров 101 Глава З ния: высокая контрастность ттах/ттіп; малые потери ттах 80%; обеспечение эксплуатационных требований. Фильтры, основанные на избирательном поглощении, к которым относятся фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, редко дают хорошую контрастность и крутизну. Однако, такие фильтры относительно просты в изготовлении и эксплуатации, и их характеристики достаточно стабильны. Более высоких параметров можно достичь применением интерференционных фильтров, представляющих собой многослойные системы диэлектрических слоев (с чередованием покрытий с высоким и низким показателями преломления). В нашем случае оптический фильтр — это система, служащая для выделения участков из спектра галогенной лампы шириной 650...690 им и из спектра импульсной ксеноно-вой лампы шириной 550-590 нм монохроматического излучения. То есть необходимо выделить узкополосное излучение с достаточно большой точностью (560±40 нм или 670+40 нм) из широкого спектрального диапазона (300-3000 нм) галогенной и импульсной ксеноновой ламп. Для получения фильтров наиболее часто используются вещества, обладающие селективным поглощением (стеклянные фильтры, жидкости). Получение интерференционных фильтров основано на свойстве тонких пленок селективно повышать или поглощать отражение и пропускание света от поверхности подложки. Интерференционные фильтры имеют ряд преимуществ перед другими фильтрами. Напыляемые из диэлектрических материалов они имеют высокую эффективность вследствие отсутствия потерь на поглощение, простоту измерения области пропускания, связанную обычно с изменением оптической толщины пленок, практически неограниченностью размеров фильтров, которые фактически определяются размерами подложки [15], Интерференционные фильтры позволяют достичь следующих параметров: гш,-„ 0,1%; Д1оУ ср«0,25; к (коэффициент крутизны к=Л0Лг /А0б, ) достигает значения 0,92-0,98.
