Pierwsze zastosowanie laserów w medycynie miało miejsce około 20 lat temu. Dzięki takim cechom jak: skuteczność, bezinwazyjność, brak działań ubocznych, prostota wykonywania zabiegów, bezbolesność praktycznie w każdej dziedzinie medycyny stosuje się obecnie terapię laserową.

Promieniowanie laserowe jest falą elektromagnetyczną, zdefiniowaną przez następujące parametry:

– długość fali (l) w nanometrach [nm] – parametr ten określa barwę światła;

– amplitudę; wielkość amplitudy określa moc emitowanego promieniowania.

Długości fal emitowanych przez lasery wykorzystywane w biostymulacji leżą w środku widma fal elektromagnetycznych (ryc. 1).

Charakterystyczne cechy promieniowania laserowego to:

– Monochromatyczność (laser emituje promieniowanie o bardzo małej szerokości linii widmowej, czyli promieniowanie jednobarwne).

– Koherencja, czyli spójność (czasowe i przestrzenne uporządkowanie drgań promieniowania elektromagnetycznego).

– Kolimacja wiązki (bardzo mała rozbieżność wiązki).

– Intensywność (duża gęstość energii w wąskiej linii widmowej).

W urządzeniach medycznych stosowanych do biostymulacji laserowej wykorzystywane są tzw. lasery niskoenergetyczne (stymulacyjne) – średnia moc promieniowania emitowanego przez te lasery nie przekracza 500 mW. Lasery te wykorzystuje się do leczenia trudno gojących się ran (owrzodzenia troficzne, odleżyny, świeże blizny), różnych zespołów bólowych np. związanych ze zmianami zwyrodnieniowo-wytwórczymi i zapalnymi stawów, traumatologią narządów ruchu, konfliktem dyskowo-korzeniowym. W ostatnich czasach obserwuje się wzrost zainteresowania zastosowaniem laserów tego typu w praktycznie wszystkich dziedzinach medycyny.

Mają tu głównie zastosowanie lasery He-Ne (długość fali l=632,8 nm) oraz arsenkowogalowe diody półprzewodnikowe.

Do skutecznej biostymulacji konieczne jest dostarczenie określonej ilości energii w Joulach [J] na odpowiednią głębokość. Stopień absorbcji i głębokość wnikania promieniowania zależy z jednej strony od struktury naświetlanej tkanki tzn. jej ukrwienia, pH, zawartości wody, pigmentów, melaniny i hemoglobiny, z drugiej zaś, od długości fali promieniowania, czyli barwy światła, mocy i czasu trwania zabiegu.

Przykładowo promieniowanie czerwone (630-670) nm działa do głębokości około 10-20 mm, zaś podczerwone (810-910) nm IR nawet do 50 mm. Dla tkanki słabo uwodnionej i znacznej spoistości oraz dużej zawartości pierwiastków ciężkich głębokość penetracji znacznie się zmniejsza.

W zależności od zasady działania lasery wykorzystywane w biostymulacji dzielimy na:

a) Lasery impulsowe.

b) Lasery ciągłego działania.

– Długość emitowanej fali świetlnej l w nanometrach [nm] – najczęściej wykorzystuje się tu promieniowanie podczerwone IR z zakresu (890-910) nm;

– Maksymalna moc impulsu promieniowania – P_imp w watach [W] – w przypadku biostymulatorów są to moce od 5 W a w niektórych przypadkach nawet do 50 W;

– Czas trwania impulsu promieniowania – T_imp w nanosekundach [ns] – typowe czasy trwania impulsu wynoszą od 100 do 200 ns;

– Częstotliwość powtarzania impulsów (ilość emitowanych impulsów w ciągu 1 sekundy – f w Hertzach [Hz].

Średnia moc takiego promieniowania jest liniową funkcją jego częstotliwości przy dużych częstotliwościach np. 30 000 Hz oraz odpowiednio dużej mocy impulsu moc ta może dochodzić nawet do 200 mW.

I – lasery niskoczęstotliwościowe pracujące w zakresie częstotliwości od 1 Hz do 80 Hz.

II – lasery średnio-częstotliwościowe pracujące w zakresie częstotliwości od 10 Hz do 10 000 Hz, czyli do 10 kHz (1 kHz=1000 Hz)

III – lasery wysoko-częstotliwościowe generujące impulsy o częstotliwościach powyżej 10000Hz. Jest to najnowsza generacja laserów impulsowych. Niektóre z nich pracują nawet z częstotliwościami dochodzącymi aż do 30 000 Hz obejmują, więc zakres częstotliwości ultradźwiękowych, który umownie przyjmuje się powyżej 16 000 Hz.

Głębokość wnikania promieniowania zależy od tzw. gęstości optycznej tkanki. Okazuje się, że gęstość optyczna tkanki dla promieniowania impulsowego o częstotliwościach powyżej 16 000 Hz jest mniejsza. Właściwość ta sprawia, że impulsowe promieniowanie laserowe o częstotliwościach powyżej 16 kHz wnika o ok. 50% głębiej niż to samo promieniowanie, lecz o niższych częstotliwościach. Tą cenną właściwość wykorzystuje się do terapii schorzeń organów wewnętrznych.

– Długość emitowanej wiązki świetlnej l w nanometrach [nm];

– Moc promieniowania P w watach [W].

Niskoenergetyczne lasery cw wykorzystywane w biostymulacji emitują promieniowanie o długościach fali:

– (635-650) nm – jest to promieniowanie czerwone i mocy do 30mW oraz

– (805-830) nm – promieniowanie podczerwone (IR) o mocach do 500 mW

Promieniowanie emitowane przez laser cw może być poddane modulacji (ryc. 4).

Modulacja polega na okresowym zaniku promieniowania z określoną częstotliwością zwaną częstotliwością modulacji fm. Moc szczytowa impulsów przebiegu zmodulowanego jest taka sama jak moc promieniowania ciągłego, natomiast średnią moc promieniowania zmodulowanego można regulować poprzez zmianę współczynnika wypełnienia k modulowanych impulsów.

Omawiane zależności energetyczne można sformułować za pomocą poniższych prostych wzorów.

k = T/T_m x P_śr = k x P = P x T/T_m = P x T x f_m gdzie f_m jest częstotliwością modulacji f_m = l/T_m

i tak jeśli T=0,5 T_m wówczas P_śr=0,5P.

Laser impulsowy. W tym przypadku średnią moc promieniowania możemy ustalić zmieniając częstotliwość promieniowania. Zależność pomiędzy średnią mocą promieniowania a czasem trwania impulsu T_i , częstotliwością i mocą impulsu ilustruje wzór:

P_śr = T_imp x f x P_imp

Obliczając z tego wzoru częstotliwość impulsów wyjdzie nam, że aby uzyskać 50 mW średniej mocy promieniowania należy ustawić częstotliwość f równą:

f = P_śr/T_iP_imp

Laser ciągłego działania cw. Ponieważ laser posiada moc P=100 mW a należy ustawić moc średnią na poziomie 50 mW, więc mamy dwie możliwości:

– wymusić emisję promieniowania ciągłego na poziomie 50mW, jednak nie zawsze jest to możliwe do wykonania lub

– wprowadzić modulację tego promieniowania ze współczynnikiem modulacji k=0,5 i ustawić dowolną częstotliwość modulacji fm, w celu porównania wielkości energetycznych obu rodzajów promieniowania ustalono ją też na poziomie 12 500Hz.

Graficznie ilustruje to rycina 5.

Dla uzyskania skutecznego efektu biostymulacyjnego w czasie każdego zabiegu do tkanki musi być dostarczona dawka energii promieniowania E [J], taka aby na określonej powierzchni uzyskać określoną gęstość energii D [J/cm²].

Wydawałoby się, że wpływ niskoenergetycznego promieniowania laserowego na organizm, powinien być uwarunkowany wzajemnym oddziaływaniem energetycznym, podczas którego skutek zależy od wielkości działającej energii. Jednak badania biologiczne wykazały, że organizmy należące do najróżniejszych gatunków – od jednokomórkowców do człowieka – są wrażliwe na działanie pól elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach (w tym również w zakresie optycznym) przy energii oddziałującej o wiele rzędów wielkości mniejszej (!) od szacowanej teoretycznie. Równocześnie stwierdzono zależność oddziaływania niskoenergetycznego promieniowania laserowego na organizmy w zależności od dawkowania (ryc. 6).

Dawka oddziaływania laserowego jest tylko jedną częścią dwoistego w swej istocie informacyjno-energetycznego charakteru laseroterapii jako metody biostymulacji. Zależność reakcji organizmu od dawki (energii) może być wyrażona ilościowo wyłącznie w przypadku ścisłego i najbardziej wszechstronnego podania wszystkich pozostałych warunków wykonywania zabiegu (długość fali promieniowania, sposobu pracy lasera, sposobu i miejsca oddziaływania, częstotliwości modulacji, stan organizmu i in.).

Przy takim podejściu okaże się, że „optymalny” zakres doprowadzanej energii, po uwzględnieniu licznych błędów w jej określaniu (błędy pomiaru mocy promieniowania, anizotropia środowiska pochłaniającego, modyfikacje współczynnika odbicia od powierzchni, nieokreśloność współczynnika przepuszczalności nasadek i in.) jest bardzo wąski i nie przekracza jednego rzędu wielkości.

Jak wykazały badania, nawet sama zmiana dawki przy zachowaniu wszystkich pozostałych parametrów oddziaływania może spowodować, że zależność dawka-skutek może powtórzyć szczyt skuteczności w odległości kilku rzędów wielkości. [1]

Parametry energetyczne stosowanego promieniowania laserowego są bardzo ważne, ponieważ stwierdzono, że efekt biostymulacji, podobnie jak wiele innych efektów biologicznych, jest opisany prawem ArndtaSchultza (ryc. 6).

Prawo to brzmi:

Bodziec słaby i średniosilny pobudza aktywność fizjologiczną, natomiast bodziec silny lub bardzo silny może ją hamować.

Krzywa zależności efektów biologicznych od dawki promieniowania (prawo Arndta-Schultza) różni się u poszczególnych chorych. Parametry, gwarantujące dobre efekty u jednego chorego, są niewystarczające lub nadmierne dla innego. J. Javurek [2] wykazuje niedopuszczalność stosowania dużych dawek oddziaływania, szczególnie w połączeniu z zoptymalizowanymi sposobami modulacji oddziaływania. Koncepcja minimalizacji dawki przy zapewnieniu koniecznego ukierunkowania reakcji na oddziaływanie zewnętrzne jest przedmiotem analiz i badań wielu klinicystów [3, 4].

Modyfikowanie parametrów przestrzenno-energetycznych promieniowania laserowego pozwala na uzyskanie zadowalającego efektu przy zmniejszonej dawce.

Pojawia się pytanie: Jak obniżyć obciążenie energetyczne organizmu zmieniając przestrzenno-energetyczne parametry oddziaływania?

Optymalizacja parametrów oddziaływania laserowego stanowi jedno z głównych zagadnień, którego celem ostatecznym jest osiągnięcie maksymalnej skuteczności leczenia. Badania w tym kierunku są kontynuowane.

E.W. Łucewicz i wsp. [5] wykazali, że stosowanie podczerwonych laserów półprzewodnikowych (l = 0,89 mm = 890nm) o małej długości czasu trwania impulsów promieniowania (50-100 ns) jest najskuteczniejsze, gdy podczas trzech pierwszych zabiegów laseroterapii dawki oddziaływania na ranę nie przekraczają 0,002-0,005 J/cm² (nasilają się wówczas procesy regeneracji, przyspiesza się rozrost naczyń włosowatych, rośnie pH płynu tkankowego, zmniejsza się obrzęk tkanek i ból). Jeśli leczenie rozpoczęto dawkami większymi od 0,005 J/cm², to w ranie następują negatywne zmiany (objawy nasilenia stanu zapalnego, wydłużenie czasu gojenia). Zalecane w analogicznych przypadkach dawki oddziaływania laserami podczerwonymi o działaniu ciągłym są o 2-3 rzędy wielkości większe [6].

Rozpoczynając zabieg biostymulacji laserowej należy dobrać i określić parametry zabiegu:

– długość fali promieniowania (barwę światła), czyli rodzaj lasera;

– powierzchniową gęstość energii D w [J/cm²];

– wielkość naświetlanego obszaru S w [cm²];

wielkości te pozwalają na obliczenie dawki energii E w [J] jaką należy dostarczyć do naświetlanego obszaru, wykorzystuje się tu zależność

E[J] = D[J/m²] x S[cm²]

po obliczeniu wartości energii E w [J] - należy obliczyć czas trwania zabiegu. Energia E jest iloczynem średniej mocy promieniowania P_śr w [W] przez czas trwania ekspozycji promieniowania na tkankę (czas zabiegu) T w [sek].

Pozostaje jeszcze do ustalenia wartość średniej mocy promieniowania P_śr w [W], jest to moc określona w parametrach technicznych posiadanych sond zabiegowych ewentualnie skorygowana stosownie od rodzaju schorzenia wg zaleceń producenta. Należy tylko pamiętać, że w przypadku promieniowania impulsowego do obliczeń wykorzystujemy zawsze średnią moc promieniowania a nie moc impulsu. W przypadku promieniowania o działaniu ciągłym bez modulacji moc średnia jest równa mocy emisji ciągłej, w przypadku gdy jest wykorzystywana modulacja, średnia moc promieniowania jest iloczynem ciągłej mocy emisji przez współczynnik wypełnienia. Odpowiedzialny producent powinien to szczegółowo wyjaśnić w instrukcji użytkowania.

Obliczając czas zabiegu T korzystamy więc z zależności:

T[sek] = E[J]/P_śr[W]

Biostymulatory laserowe najnowszej generacji wykorzystują systemy procesorowe i wszystkie obliczenia wykonywane są automatycznie – należy tylko zadeklarować rodzaj wykorzystywanej sondy zabiegowej (lasera), dawkę energii oraz moc promieniowania, a czas trwania zabiegu zostanie obliczony przez urządzenie bez udziału obsługi.

W niektórych biostymulatorach są zaprogramowane gotowe procedury medyczne dla różnego rodzaju schorzeń. W procedurach tych określono wszystkie parametry zabiegu – wykorzystując doświadczenia kliniczne wielu użytkowników. Posiadając taki biostymulator wybieramy tylko określoną procedurę i rozpoczynamy zabieg.

Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że dawki energii przy leczeniu przewlekłych zmian chorobowych są kilkakrotnie większe niż dla zmian ostrych.

Powierzchniowa gęstość energii promieniowania D (ang. density) będąca ilorazem dostarczonej dawki energii E w [J] przez wartość powierzchni naświetlanej tkanki S [cm²] w czasie pojedynczego zabiegu wynosi od 0,005 do 10 J/cm².

Promieniowanie laserowe padając na tkankę wnika w nią tylko częściowo. Należy pamiętać o tym, że efekt leczniczy jest powodowany przez energię promieniowania zaabsorbowanego przez tkankę – energia ta, jest oczywiście mniejsza od energii wyemitowanej przez urządzenie w trakcie trwania zabiegu ponieważ część tego promieniowania już w warstwie naskórka ulega odbiciu i rozproszeniu.

Podczas szacowania dawki energii należy uwzględnić ten fakt, co powoduje, że wartość energii wchłoniętej D_w przez tkankę ulega zmniejszeniu wg poniższej zależności:

D_w = P_śr(x) x T x [1 - g(l)]/S(x)

Dw [J/cm²] – wchłonięta dawka energii na jednostkę powierzchni
Pśr(x) [W] – średnia moc promieniowania na głębokości x [cm]
T [sek] – czas ekspozycji
r(l) – współczynnik odbicia skóry (przykładowo dla l=890nm r=0,38)
S(x) [cm²] – obszar oddziaływania na powierzchni biotkanki na głębokości x[cm]

Wartość współczynnika r zależy od wielu czynników m.in. od karnacji skóry, owłosienia czy wieku pacjenta W celu zmniejszenia zjawiska odbicia promieniowania od tkanki, tak aby współczynnik r zminimalizować do zera należy, tam gdzie to możliwe, stosować podczas zabiegu specjalne nasadki lustrzane, które odbite promieniowanie powtórnie kierują do miejsca zabiegu.

Nowoczesne biostymulatory laserowe uwzględniają ten efekt i odpowiednio wydłużają czas trwania zabiegu.