Принципы построения и аппаратурная реализация оптико-электронных устройств на основе импульсных полупроводниковых лазеров для медико-биологических применений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Москвин, Сергей Владимирович

• Москвин, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Москвин, Сергей Владимирович

Введение.

Глава первая. Физиологическая роль световых факторов в медицине.

Обоснование выбора источника излучения

1.1. Механизмы взаимодействия лазерного излучения с микроорганизмами.

1.1.1. Физиологическая роль параметрического дозирования.

1.1.2. Физиологическая роль длины волны излучения.

1.2. Зависимость фотобиостимулядии от основных свойств лазерного излучения (степени поляризации и когерентности).

1.3. Медико-биологическое и техническое обоснование выбора источника излучения для оптико-электронных терапевтических устройств.

Выводы.

Глава вторая. Метод изготовления импульсных полупроводниковых инжек-ционных лазеров на основе квантоворазмерных двойных гетероструктур с длиной волны излучения 630-650 нм.

2.1. Гетеролазеры и гетероструктура.

2.2. Гетеролазеры и двойные гетероструктуры.

2.3. Улучшенные гетеропереходные лазерные структуры. Лазеры полосковой геометрии.

2.4. Метод изготовления импульсных инжекционных полосковых лазерных диодов из кристаллов на основе квантоворазмерных гетероструктур в системе АЮа1пР/Оа1пР с длиной волны излучения 630-650 нм.

2.5. Расчет угла наклона боковых граней.

2.6. Аналитическое обоснование метода.

2.6.1. Постановка задачи.

2.6.2. Оптическая модель для ДГС-лазера.

2.6.3. Расчет пороговых условий.

2.6.4. Устранение нежелательных («замкнутых» и «частично замкнутых» мод.

2.6.5. Экспериментальные импульсные ватт-амперные характеристики (зависимости импульсной выходной мощности от импульсного тока накачки) при Г=3000 Гц и тио;5=ЮО не.

Выводы.

Глава третья. Принципы построения и аппаратурная реализация оптико-электронных терапевтических устройств на основе импульсных лазерных диодов с длиной волны излучения 630-650 нм.

3.1. Анализ отечественных лазерных терапевтических устройств.

3.2. Блок-схема нового оптико-электронного терапевтического устройства

3.3. Принцип работы оптико-электронного терапевтического устройства и его отличительные особенности.

3.4. Аппаратурная реализация нового оптико-электронного терапевтического устройства.

Выводы.

Глава четвертая. Модифицированный с алгоритмической корреляцией метод измерения мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров.

4.1. Обоснование фото диодного метода измерения мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров.

4.2. Обеспечение параметров измерителя мощности с учетом недостатков фотодиодов и особенностей излучения лазеров.

4.2.1. Исследование недостатков фотодиодов и их учета при измерении мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров

4.2.2. Исследование угловой зависимости чувствительности фотодиода

4.2.3. Исследование зонного распределения чувствительности фотодиода

4.2.4. Исследование спектральных характеристик фотодиода и светофильтров

4.2.5. Исследование особенностей лазерного излучения и их учета при измерении мощности.

4.2.6. Исследование погрешностей, вносимых расположением источника излучения.

4.3. Исследование линейности ампер-ваттной характеристики в заданном динамическом диапазоне с целью расчета погрешности измерения мощности

4.4. Измерение средней мощности.

4.5. Структурная блок-схема измерителя мощности низкоинтенсивного лазерного излучения.

4.6. Достоверность схемотехнических решений. Расчет «отклика» фотоприемника

4.7. Основные компоненты измерителя мощности и принцип работы.

4.7.1. Преобразователь напряжения.

4.7.2. Опорное напряжение.

4.7.3. Блок индикации.

4.7.4. Измерение импульсной мощности.

4.7.5. Алгоритм работы измерителя мощности.

4.7.6. Блок автоматического включения и выключения.

4.8. Функциональная схема измерителя мощности.

4.9. Аппаратурная реализация измерителя мощности.

4.9.1. Измеритель средней мощности.

4.9.2. Измеритель импульсной мощности.

Выводы.

Глава пятая. Автоматизированный метод модуляции лазерного пучка оптико-электронных терапевтических устройств биоуправлением.

5.1. Роль биоритмов.

5.2. Роль биосинхронизации.

5.3. Принципы биоуправления.

5.4. Реализация метода биоуправления.

5.4.1. Датчики пульса и дыхания.

5.4.2. Блок-схема устройства биоуправления.

5.4.3. Аппаратурная реализация оптико-электронного устройства для биомодуляции лазерного воздействующего пучка.

5.4.4. Виды модуляции лазерных диодов.

5.4.4.1. Амплитудная модуляция.

5.4.4.2. Частотная модуляция.

5.4.4.3. Импульсная модуляция.

5.4.4.4. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

5.4.4.5. Функциональные узлы усилителей с ШИМ.

5.4.4.6. Краткая характеристика основных видов ШИМ.

5.4.5. Аналитическое обоснование применения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для биоуправления.

Выводы.

Глава шестая. Практическая значимость результатов диссертационной работы.

6.1. Результаты использования работы для создания импульсных диодных лазеров на квантоворазмерных ДГС с длиной волны излучения 630-650 нм

ЛДИ-3 и ЛДИ-5.

6.2. Результаты использования работы для создания серийных образцов оптико-электронных терапевтических устройств «Мустанг-2000».

6.3. Результаты применения серийных образцов оптико-электронных терапевтических устройств «Мустанг-2000» в медицине.

6.4. Результаты применения оптико-электронного устройства «Мустанг-био» в медицинской практике.

6.5. Результаты метрологического обеспечения низкоинтенсивной лазерной медицинской техники.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Принципы построения и аппаратурная реализация оптико-электронных устройств на основе импульсных полупроводниковых лазеров для медико-биологических применений»

Прогресс медицинской науки и техники, а также клинической медицины в настоящее время во многом определяется достижениями в области лазерной техники. Возрастающий интерес медиков к лазерам обусловлен, прежде всего, их возможностями благодаря следующим свойствам:

- монохроматичность или высокая спектральная плотность мощности (интенсивности) излучения;

- значительная временная и пространственная когерентность;

- поляризованность излучения;

- возможность получения импульсов короткой длительности.

Указанными свойствами не обладают другие излучатели оптического диапазона -светоизлучающие диоды, тепловые и газоразрядные. За несколько десятилетий поисков и ошибок, бурного развития экспериментально-клинических исследований лазерная медицина входит в пору зрелости. Лазерная хирургия и фотодинамическая терапия, лазерная диагностика и низкоинтенсивная лазерная терапия - это основа медицины будущего. Все эти направления в той или иной степени развиваются во всем мире, но лазерные устройства терапевтической направленности наиболее широко разрабатываются и внедряются в практику именно в России. Средние показатели эффективности лазерной терапии по России и СНГ за период 1990-1999 г.г. - 78-95% (сотни тысяч больных), включая почти все направления заболеваний и их лечение с помощью лазерного воздействия на организм. Ведущие ученые России и стран СНГ могут подвести своеобразный итог 40-летию изучения биологического действия низкоинтенсивного лазерного излучения, исследований терапевтических показаний и противопоказаний, его места и значения в медицинской практике [29]. Но до сих пор ведутся споры о существовании дополнительных биологических эффектов, связанных со свойствами лазеров (когерентность, поляризация, монохроматичность) при воздействии лазерного излучения на организм. Однако, очевидны другие их преимущества: малые габариты и масса; низкие питающие напряжения (для лазерных диодов), возможность эффективной доставки излучения в любое место с заданным пространственным распределением, широкий диапазон длин волн монохроматического излучения и возможность его модуляции по любому заданному закону, относительная простота метрологического контроля всех параметров и в первую очередь мощности излучения и дозы. Анализ литературных данных показывает, что лазерную терапию эффективно в настоящее время применяют врачи в таких областях медицины, для которых ранее она являлась традиционно запрещенной: онкология, психиатрия, эндокринология, фтизиатрия и др. Это свидетельствует об успешном развитии лазерной терапии как самостоятельного направления. Но анализ применения лазерного излучения выявляет ряд нерешенных проблем на этапе выполнения диссертационной работы, связанных с определением наиболее эффективных средств с точки зрения медицинского вмешательства:

1. обоснование источников излучения с новыми параметрами, обладающих повышенной фотобиологической активностью, в связи с отсутствием лазеров, разработанных специально для терапевтических оптико-электронных устройств с оптимизированными характеристиками;

2. отсутствие измерителей мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров, обеспечивающих допустимую (-20%) погрешность измерения для терапевтических процедур, с учетом особенностей излучения лазеров и недостатков фотоприемников с целью метрологического обеспечения терапевтической лазерной медицинской техники;

3. отсутствие эффективных методов модуляции лазерного излучения, например, биоритмами центрального кровотока пациента с целью самоконтроля им самим дозы облучения, усиления терапевтического эффекта и устранения побочных явлений.

Решение названных проблем направлено на улучшение лечебных характеристик медицинской оптико-электронной терапевтической техники и повышение эффективности лазерных процедур. Несмотря на значительное число работ, связанных с повышением эффективности лазеротерапии, многие аспекты в комплексном их решении, еще остаются проблемными.

В этой связи автором были поставлены задачи и предложены пути их решения, направленные на создание новых оптико-электронных терапевтических устройств с качественно новыми лечебными характеристиками на основе медико-биологически и технически обоснованного источника импульсного лазерного излучения (по сравнению с отечественными лазерными терапевтическими аппаратами типа «Милта», «Рикта», «Узор», «Орион» и др.) за счет разработки и аппаратурной реализации:

- принципов построения на основе импульсных лазеров оптико-электронных терапевтических устройств, позволяющих контролировать и корректировать воздействующую мощность непосредственно в процессе лечения с целью усиления терапевтического эффекта;

- метода изготовления специально для медицинских целей импульсных полупроводниковых инжекционных лазеров на основе квантоворазмерных двойных гетероструктур с длиной волны излучения 630-650 нм, которая обладает повышенной фотобиологической активностью, а также с заданными энергетическими, спектральными и временными характеристиками [37, 40, 41];

- модифицированного с алгоритмической корреляцией фотодиодного метода измерения мощности воздействующего излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров с более широкими возможностями (по сравнению с отечественными измерителями оптической мощности ИМО-2, ИМО-3, ИКТМ-3, ИСМ-1 и др.) за счет учета в процессе измерения алгоритмом работы особенностей излучения лазеров и недостатков фотодиодов;

- устройства модулирования воздействующего лазерного пучка биоритмами центрального кровотока самого пациента с целью снижения дозы облучения [6, 7, 8, 48].

Обоснование необходимости и решение поставленных задач, апробация и внедрение разработанных оптико-электронных устройств в медицине и метрологии делает в целом диссертационную работу на данном этапе необходимой и актуальной.

Цель работы и задачи исследований

Основная цель работы - проведение комплексных экспериментальных и теоретических исследований, а также схемотехнических и конструкторских решений, направленных на:

1. разработку метода изготовления импульсных инжекционных диодных лазеров с полосковым контактом и квантоворазмерной активной областью на основе кристаллов из двойных гетероструктур с наклонными под определенным углом, относительно р-п-перехода боковыми гранями, обеспечивающего длину волны излучения 630-650 нм и заданные (для медицинских целей) энергетические, спектральные и временные характеристики;

2. разработку принципов построения оптико-электронных терапевтических устройств на основе импульсных лазеров с длиной волны излучения 630-650 нм;

3. исследование особенностей излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров (различные значения пространственно-спектральных, энергетических и временных характеристик, а также большая расходимость, неравномерность излучения, температурная зависимость длины волны и мощности излучения, выработка ресурса, энергетическая зависимость от напряжения питания у различны лазеров одного типа);

4. исследование недостатков кремниевых фотодиодов, используемых в фотоприемниках для измерения мощности низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров (неравномерность и неповторяемость спектральных характеристик, неповторяемость световых импульсов, зонная чувствительность по площадке фотодиода у различных фотодиодов одного типа, необходимость применения дорогостоящих корригирующих фильтров и обеспечение необходимого телесного угла);

5. разработку принципов построения и параметрической оптимизации оптико-электронных терапевтических устройств на базе разработанных импульсных лазерных диодов с длиной волны излучения 630-650 нм с алгоритмической корреляцией мощности облучения непосредственно в процессе лечения с учетом особенностей излучения лазеров и недостатков фотодиодов;

6. разработку модифицированного с алгоритмической корреляцией фото диодного метода измерения мощности, основанного на алгоритме работы, который, учитывая особенности излучения лазеров и недостатки фотодиодов, обеспечивает допустимую погрешность измерения -20% для терапии;

7. разработку метода модуляции лазерного излучения биоритмами центрального кровотока пациента с целью самоконтроля им дозы облучения на базе исследования роли биоритмов и биосинхронихации для саморегулирования жизненно важных физиологических основ организма,

Следует отметить, что создание и оптимизация параметров новых оптико-электронных устройств были бы невозможны без проведения достаточно полных медико-биологических и метрологических исследований самих аспектов применения импульсных лазеров для низкоинтенсивной терапии.

На основе исследований роли физических (световых) факторов в медицине, механизмов взаимодействия света с биообъектами для достижения поставленной цели, автором были решены следующие конкретные задачи:

1) выполнено медико-биологическое обоснование выбора оптимального источника лазерного излучения на основе исследований фотобиологического воздействия излучения импульсных полупроводниковых лазеров с длинами волн 630-650 нм и 780-910 нм в эксперименте на микроорганизмах; и

2) разработан метод изготовления импульсных лазерных диодов с полосковым контактом и с квантоворазмерной активной областью на основе кристаллов из двойных гетероструктур в системе АЮа1пР/Оа1пР с наклонными боковыми гранями относительно р-п-перехода, обеспечивающего длину волны излучения 630-650 нм и необходимые пространственно-энергетические и временные характеристики (импульсная мощность 5 Вт, длительность импульса 100 не, с частотой их повторения 3000 Гц и с полушириной спектра излучения 5 нм);

3) созданы, разработаны и внедрены на базе проведенных исследований в медицине и метрологии:

- оптико-электронные терапевтические устройства на основе новых импульсных лазеров с длиной волны излучения 630-650 нм;

- измеритель мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров с учетом особенностей их излучения и недостатков фотодиодов;

- оптико-электронное устройство биомодуляции лазерного излучения при воздействии на организм для обеспечения хронобиологического терапевтического эффекта.

Методы исследования.

При проведении комплексных литературных и собственных исследований для получения необходимых данных автором использовались:

- модель полосковых инжекционных диодных лазеров на основе двойных гетероструктур в системе АЮа1пР/Оа1пР;

- фотодиодный метод (с применением корригирующего светофильтра) измерения мощности оптического излучения;

- фазовая модель реагирования организма на лазерное воздействие;

- численное моделирование процесса поглощения лазерного излучения биотканью;

- физиологический закон парабиоза (единства природы возбуждения и торможения) Н.Е. Введенского - закон зависимости ответной реакции организма на различные раздражители, которому подчиняется и лазерная биостимуляция клеток и тканей;

- метод биофотометрических сфер, основанный на измерении коэффициента поглощения лазерного излучения на определенных длинах волн стенками кровеносных сосудов;

- закон Арндта-Шульца, обосновывающий работу функциональных систем (на уровне клетки и ткани) только на низком энергетическом уровне и по которому избыток подведенной энергии не повышает, а наоборот, угнетает ее функцию.

Научная новизна

1. На базе детального анализа имеющихся в литературе и полученных автором данных по результатам исследования воздействия импульсного лазерного излучения с длинами волн 780-910 нм и 630-650 нм на микроорганизмы медико-биологически и технически обоснован источник излучения, а также разработаны принципы построения и многопараметрической оптимизации оптико-электронных устройств для применения в медицине и метрологии.

2. Предложены и реализованы автором: а) метод изготовления импульсных инжекционных диодных лазеров с полосковым контактом на основе кристаллов квантоворазмерных двойных гетероструктур в системе АЮа1пР/Оа1пР, новизна которого заключается в создании наклонных боковых граней на угол больше, чем угол полного внутреннего отражения на границе «волновод-инжектор», в результате чего предотвращается волноводное распространение лазерной эмиссии вдоль активного слоя, снижаются потери в резонаторе, сохраняются условия инверсии и обеспечивается заданная импульсная мощность 3-5 Вт при длине волны излучения 630-650 нм; б) принципы построения и многопараметрической оптимизации оптико-электронных терапевтических устройств, новизна которых состоит в применении нового вида импульсного лазерного излучения с длиной волны 630-650 нм и в использовании автоматизированной индикации мощности облучения и ее алгоритмической корректировки непосредственно в процессе лечения, с учетом особенностей излучения лазеров и недостатков фотоприемников, что в совокупности обеспечивает усиление терапевтического эффекта; в) модифицированный с алгоритмический корреляцией фотодиодный метод измерения средней и импульсной мощности низкоинтенсивного лазерного излучения, новизна которого состоит в том, что за счет разработанного алгоритма работы измерительное устройство обеспечивает автоматический контроль и корреляцию измеряемой мощности излучения, с учетом особенностей излучения полупроводниковых лазеров и недостатков кремниевых фотодиодов, с допустимой погрешностью для терапии ~20%; г) автоматизированный метод лазерной биоуправляемой хронофизиотерапии, новизна которого состоит в использовании биоритмологических особенностей пациента, для модуляции лазерного воздействия непосредственно биоритмами самого пациента по параметрам центрального кровотока (частотами тремора мышц, пульса и дыхания) с целью уменьшения дозы лазерного воздействия, усиления лечебного эффекта, сокращения сроков лечения и устранения побочных явлений.

3. Впервые в стране созданы при участии автора: а) сертифицированный Госстандартом метрологический прибор для измерения средней и импульсной мощности лазерного излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров с учетом особенностей их излучения и недостатков фотоприемников; б) оптико-электронное устройство, позволяющее воздействовать на организм лазерным излучением, модулированным ритмами, близкими к эндогенным, достигая при этом дополнительную эффективность при снижении дозы терапевтического воздействия.

Практическая значимость работы

1. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные технические решения использованы при создании:

- диодных лазеров на основе квантоворазмерных двойных гетероструктур в системе АЮаЬгРЛЗаЪгР с использованием конструкции кристалла, содержащей наклонные, относительно р-п перехода, боковые грани на угол величиной больше, чем угол полного внутреннего отражения на границе «волновод-инжектор», с целью эффективной селекции нежелательных лазерных мод резонатора («замкнутых» и «частично замкнутых») и обеспечивающих спектральные, энергетические и временные характеристики импульсных лазерных диодов с длиной волны излучения 630-650 нм и мощностью излучения до 5 Вт;

- оптико-электронного устройства, обеспечивающего комплексное повышение эффективности низкоинтенсивной лазерной терапии за счет использования нового вида лазерного излучения (630-650 нм) и высокоточного алгоритмического метода измерения и корректировки мощности в процессе лечения;

- измерителя средней и импульсной мощности низкоинтенсивного лазерного излучения с алгоритмической корреляцией измерения с учетом особенностей лазерного излучения и недостатков фотоприемников с целью обеспечения оптимальной погрешности измерения;

- оптико-электронного устройства биомодуляции лазерного излучения методом биоритмологической обратной связи по параметрам центрального кровотока (частоты пульса и дыхания), дополнительно промодулированных частотой тремора мышц (10-14 Гц), с которой происходят многие физиологические процессы в организме.

2. В настоящее время серийно выпускаются импульсные лазерные диоды с длиной волны излучения 630-650 нм (ЛДИ-3 и ЛДИ-5), оптико-электронные терапевтические устройства «Мустанг», «Мустанг-2000», «Мустанг-био», «Мустанг-косметолог» и прибор для измерения мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров «Мустанг-стандарт».

3. Результаты работы используются:

- в серийном производстве лазерных диодов на ГУП «Инжект» (г. Саратов);

- в серийном производстве АЛТ «Мустанг-2000», «Мустанг-био» и измерителя мощности «Мустанг-стандарт» НПЛЦ «Техника» (г. Москва);

- в качестве терапевтических аппаратов в около 10000 медицинских учреждениях почти в 100 странах мира;

- в учебном процессе Российского университета Дружбы народов и Государственного научного центра лазерной медицины МЗ РФ при изучении дисциплины «Лазерная терапия».

На защиту выносятся:

1. Принципы построения оптико-электронных терапевтических устройств, заключающиеся в применении нового вида импульсного лазерного излучения с длиной волны 630-650 нм и в использовании автоматизированной индикации мощности облучения и ее алгоритмической корректировки с учетом особенностей излучения лазеров и недостатков фотоприемников непосредственно в процессе лечения, что в совокупности обеспечивает усиление терапевтического эффекта.

2. Метод изготовления импульсных инжекционных лазеров с полосковой геометрией на основе кристаллов из квантоворазмерных двойных гетероструктур в системе АЮа1пР/Оа1пР, заключающийся в создании наклонных боковых граней кристалла, относительно р-п-перехода, под углом больше, чем угол полного внутреннего отражения на границе «волновод-инжектор» и позволяющий предотвращать волноводное распространение лазерной эмиссии вдоль активного слоя за счет селекции нежелательных лазерных мод с целью снижения потерь в резонаторе, сохранения условий инверсии и обеспечения заданной импульсной мощности 5 Вт при длине волны излучения 630-650 нм и полуширине спектра 5 нм.

3. Модифицированный с алгоритмической корреляцией фотодиодный метод измерения средней и импульсной мощности низкоинтенсивного лазерного излучения, основанный на разработанном алгоритме работы измерительного устройства, который обеспечивает автоматический контроль измеряемой мощности и ее корреляцию с учетом особенностей излучения полупроводниковых лазеров и недостатков кремниевых фотоприемников, с допустимой погрешностью для терапии -20%.

4. Автоматизированный метод лазерной биоуправляемой хронофизиотерапии, заключающийся в использовании биоритмологических особенностей пациента для модуляции лазерного воздействующего на биоткань излучения непосредственно биоритмами пациента по параметрам центрального кровотока (частотами тремора мышц, пульса и дыхания) с целью самоконтроля организмом дозы лазерного облучения, усиления лечебного эффекта, сокращения сроков лечения и устранения побочных явлений

Апробация работы и публикации.

Материалы работы докладывались и обсуждались:

- на первом международном конгрессе «Лазер и здоровье» (Лимассол-Москва, 1997);

- на первой международной конференции «Лазерная и фотодинамическая терапия» (Обнинск, 1999);

- на втором международном конгрессе «Лазер и здоровье» (Москва, 1999);

- на двенадцатой международной научно-практической конференции «Применение лазеров в медицине и биологии» (Харьков, 1999);

- 8-th International Congress of the European Médical Laser Association (Москва, 2001);

- на двенадцатой международной конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования электронных и лазерных технологий» (Москва, 2002).

Основное содержание работы опубликовано в 33 печатных работах, в том числе в двух монографиях, одном авторском свидетельстве и двух патентах, список которых приведен в конце диссертации.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается: а) согласованием теоретических и собственных медико-биологических и технических исследований для обоснования выбора источника импульсного лазерного излучения; б) согласованием теоретических и экспериментальных исследований спектральных, энергетических и временных характеристик импульсных лазерных диодов на основе кванто-воразмерных двойных гетероструктур с длиной волны излучения 630-650 нм, разработанных для создания на их базе оптико-электронных терапевтических устройств; в) согласованием теоретических расчетов, конструкторских и схемотехнических решений с результатами испытаний разработанных оптико-электронных устройств в медицинской практике и метрологии.

Но даже фундаментальность проведенных автором исследований воздействия лазерного излучения на организм, выделения факторов его дозирования и обоснование источника импульсного лазерного излучения на данном этапе окончательно еще не устанавливают все механизмы световой фотобиактивации. Сложность проблемы в дальнейшем требует объединения усилий ученых, врачей и инженеров с целью дальнейшего взаимопроникновения в разные области медицины, что дополнительно подчеркивает актуальность выбранной темы диссертации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав и списка литературы. Основной текст диссертации изложен на 167 страницах. Список литературы включает 83 библиографических источника. Диссертация проиллюстрирована рисунками, таблицами и графиками.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Москвин, Сергей Владимирович

Выводы:

1. на основе изучения роли биоритмов и биосинхронизации, научного обоснования хронобиологического подхода в физиотерапии сформулирована задача по разработке метода биомодуляции низкоинтенсивного воздействующего на организм лазерного пучка основными параметрами кровотока самого пациента;

2. метод модуляции воздействующего лазерного излучения основан на том, что фазовое усиление биосинтеза белка в клетке совпадает с увеличением кровенаполнения ткани, и благоприятные моменты облучения должна приходиться на фазы систолы и вдоха больного;

3. в качестве несущей частоты в биоуправляемом режиме используется «плавающая» частота 14 Гц, соответствующая ритму тремора мышц и элонгации и модулируемая сигналами от датчиков пульса и дыхания;

4. аналоговый суммирующий сигнал обеспечивает модуляцию лазерного излучения таким образом, что в фазах вдоха и систолы достигает максимального значения ~ наиболее благоприятный момент облучения, достигая при этом отсутствия передозировки, усиления терапевтического эффекта и устранения побочных явлений;

5. так как многие физиологические процессы в организме человека происходят с частотой около 10 Гц, то для максимального терапевтического эффекта необходимо применять широтно-импульсную модуляцию, которая без искажений с максимальной точностью обрабатывает биосигналы пациента и вырабатывает адекватное промодулированное излучение.

Глава 6

Практическая значимость полученных результатов диссертационной работы

Анализ проведенных теоретических и экспериментальных данных, технические и схемотехнические решения, направленные на разработку и создание оптико-электронных приборов для медицины и метрологии, а также результаты внедрения позволяют обсудить практическую значимость диссертационной работы.

6.1. Результаты использования работы для создания импульсных диодных лазеров на квантоворазмерных ДГС с длиной волны излучения 630-650 нм - ЛДИ-3 и ЛДИ-5.

При участии автора совместно с предприятием «Инжект» (г. Саратов) были разработаны и серийно освоены импульсные лазерные диоды неволноводного типа с длиной волны излучения 630-650 нм, параметры которых представлены в таблицах 6-1, 6-2.

Необходимо отметить, что ранее для низкоинтенсивной лазерной терапии применялись серийные импульсные лазерные диоды инфракрасной области спектра (ЛПИ-101, 102, 110, 120 и др.) (табл. 1-1), разработанные не для медицинских, а для промышленных целей и которые использовались разработчиками как приборы, попавшие под конверсию.

В данном случае, впервые в стране, на основе метода, предложенного с участием автора, были разработаны и серийно освоены специально для низкоинтенсивной лазерной терапии наиболее эффективные импульсные лазерные диоды с длиной волны излучения 630650 нм диапазона спектра, которые позволили аппаратурно реализовать новое эффективное оптико-электронное терапевтическое устройство на их основе.

6.2. Результаты использования работы для создания серийных образцов оптико-электронных терапевтических устройств «Мустанг-2000».

Для обеспечения максимума положительного лечебного эффекта в диссертации (для создания новых терапевтических устройств) были выполнены основные принципы лазерной терапии [19]:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ, излучающие в красном диапазоне спектра

Заключение (выводы)

В диссертации получены следующие результаты.

1. На базе детального анализа имеющихся в литературе и полученных автором результатов по исследованиям воздействия лазерного излучения на микроорганизмы, медико-биологически и технически обоснован выбор источника импульсного лазерного излучения и разработаны принципы построения оптико-электронных устройств для применения в медицине и метрологии.

2. Предложены и реализованы автором: а) метод изготовления импульсных инжекционных полупроводниковых лазеров с полосковым контактом на основе двойных квантоворазмерных гетероструктур в системе АЮа1пР/Оа1пР, кристаллы которых имеют наклонные относительно р-п -перехода боковые грани под углом больше, чем угол полного внутреннего отражения на границе «волновод-инжектор», то есть метод, позволяющий предотвращать волноводное распространение лазерной эмиссии вдоль активного слоя за счет селекции нежелательных лазерных мод резонатора («замкнутых» и «частично замкнутых») с целью снижения потерь в резонаторе, сохранения условий инверсии и обеспечения заданных энергетических и спектрально-временных характеристик лазерных диодов ('/„=630-650 нм, Р=3-5 Вт, тио,5=100 не, полуширина спектра излучения - 5 нм); б) принципы построения оптико-электронных терапевтических устройств, заключающиеся в применении нового вида импульсного лазерного излучения с длиной волны 630-650 нм и в использовании автоматизированной индикации мощности облучения и ее алгоритмической корректировки с учетом особенностей излучения лазеров и недостатков фотоприемников непосредственно в процессе лечения, что в совокупности обеспечивает усиление терапевтического эффекта; в) модифицированный с алгоритмической корреляцией фотодиодный метод измерения средней и импульсной мощности низкоинтенсивного лазерного излучения, основанный на разработанном алгоритме работы измерительного устройства, который обеспечивает автоматический контроль измеряемой мощности и ее корреляцию с учетом особенностей излучения полупроводниковых лазеров и недостатков кремниевых фотоприемников, с допустимой погрешностью для терапии ~20%; г) автоматизированный метод лазерной биоуправляемой хрон о физиотерапии, заключающийся в использовании биоритмологических особенностей пациента для модуляции лазерного воздействующего на биоткань излучения непосредственно биоритмами пациента по параметрам центрального кровотока (частотами тремора мышц, пульса и дыхания) с целью самоконтроля организмом дозы лазерного облучения, усиления лечебного эффекта, сокращения сроков лечения и устранения побочных явлений.

3. На базе проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований разработана и внедрена в широкую медицинскую практику и метрологию следующая оптико-электронная аппаратура и приборы: а) полупроводниковые импульсные лазерные диоды типа ЛДИ-3 (3 Вт), ЛДИ-5 (5 Вт) с длиной волны излучения 630-650 нм, которые впервые были разработаны специально для медицинских целей (ранее применялись для медицинских аппаратов импульсные ИК-лазеры ЛПИ-101, 102, 110, 120 и др., созданные для промышленных целей и используемые в аппаратах - «Узор», «Милта», «Рикта», «Орион» и др.); б) оптико-электронные терапевтические устройства «Мустанг», «Мустанг-2000», «Мустанг-био», «Мустанг-косметолог»; в) метрологический прибор измерения средней и импульсной мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров «Мустанг-стандарт», обладающий более широкими возможностями по сравнению с отечественными измерителями оптического излучения ИКТМ-3, ИСМ-1, ИМО-2, ИМО-3 и др.

4. Клинические испытания оптико-электронных терапевтических устройств «Мус-танг-2000» и «Мустанг-био» в эксперименте с организмами «m vitro» и «ш vivo», проведенные рядом медицинских учреждений подтвердили повышенный лечебный эффект от внедрения устройств, предложенных автором (Тверская государственная медицинская академия. Тверская детская больница №1, Воронежская государственная медицинская академия им. H.H. Бурденко, Государственный научный центр лазерной медицины Минздрава РФ, Международная медицинская ассоциация «Лазер и здоровье», Международная лазерная ассоциация и др.).

5. Метрологические испытания прибора измерения мощности излучения низкоинтенсивных полупроводниковых лазеров совместно с НИИ оптико-физических измерений показали, что прибор «Мустанг-стандарт» может использоваться для метрологического обеспечения терапевтической медицинской техники.

6. Полученные результаты работы используются: в учебном процессе Российского университета Дружбы народов при изучении дисциплины «Лазерная терапия»; в учебном процессе при изучении лазерной физио- и рефлексотерапии Государственного научного центра лазерной медицины МЗ РФ.

7. Результаты, полученные в диссертации опубликованы в 33 научных работах, в том числе в двух монографиях, в одном авторском свидетельстве, двух патентах и докладывались автором на 6 научно-технических конференциях.

8. Достоверность результатов и выводов обеспечивается согласованием теоретических и экспериментальных исследований, а также согласованием теоретических расчетов, конструкторских и схемотехнических решений.

9. Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, подтверждаются проведенными им экспериментами, направленными на обоснование предлагаемых методов и принципов построения оптико-электронных устройств для медицины и метрологии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Москвин, Сергей Владимирович, 2003 год

1. A.c. 1441897 СССР, МКИ G 01 J 5/58. Устройство для измерения мощности излучения полупроводниковых лазеров / C.B. Москвин, Н.В. Брагин, А.Р. Евстигнеев, В.А. Бохов-кин, Ю.В. Крыжановский, Ю.Н. Николаев, P.C. Кафтин. № 4061691/24-25; Заявлено 25.04.86.

2. Брилль Г.Е. «Панацейность» клинического действия низкоинтенсивного лазерного излучения миф или реальность?/ Материалы IV Международной конференции «Проблемы лазерной медицины» - Москва-Видное, 1997. - С. 160-161.

3. Буйлин В.А. Применение аппарата лазерной терапии «Мустанг» в комплексной терапии язвенной болезни. М.: «Техника», 1996. - 34 с.

4. Буйлин В.А. Язвенная болезнь // Низкоинтенсивная лазерная терапия. М.: «Техника», 2000. - С.321-350.

5. Буйлин В.А., Москвин C.B. Низкоинтенсивные лазеры в терапии различных заболеваний. М.: «Техника», 2001.- 176 с.

6. Введенский Н.Е. Изменение функциональных свойств нерва при его наркотировании. -М.: Наука, 1953.- 55 с.

7. Вермель С.Б. Медицинское светолечение (биологическое и лечебное действие света). -М.: Наука, 1926.-215 с.

8. Гаусман В., Фолк Р. Руководство по светолечению: Пер. с нем. // Под ред. С.А. Бруштей-на. М.: Госуд. Мед. изд-во, 1929. - 394 с,

9. Гримблатов В.М. Донсков А.М., Лосев A.A. Принципы резонансной лазерной терапии // Международная конференция «Новое в лазерной медицине и хирургии»: Тез. докл. Переел авль-Залесский, 1990. - Ч. 2. - С.34-35.

10. Гудвин Б. Временная организация клетки. М.: Мир, 1996. - 251 с.

11. Жаров В.П., Кару Т.Й., Литвинов Ю.О. Фотобиологический эффект излучения полупроводникового лазера в ближней ИК-области // Квантовая электроника. M.: - 1987. -№11. -С. 2135-2136.

12. Загускин С.Л., Загускина Л.Д., Кантор И.Р. и др. Биоритмологическимй способ лазерной терапии // Материалы международной конференции «Лазеры и медицина». Тез. докл. -Ташкент, 1989. Ч.2.-С. 86.

13. Звелто О. Принципы лазеров / Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 400 с.

14. Иващенко П.А., Калинин Ю.А., Морозов Б.Н. Измерение параметров лазеров. М.: Издательство стандартов, 1982. - 168 с.

15. Илларионов В.Е. Техника и методики процедур лазерной терапии. М.: «Центр», 2001. -176 с.

16. Илларионов В.Е., Ларюшин А.И. Лазерные и другие оптико-электронные устройства для медицины. Казань.: Абак, 2001. - 172 с.

17. Кару Т.И. Первичные и вторичные клеточные механизмы лазерной терапии // Низкоинтенсивная лазерная терапия. М.: «Техника», 2000. - С.71-94.

18. Кару Т.Й., Календо Г.С., Лехотов B.C., и др. Зависимость биологического действия низкоинтенсивного света на клетки Hela от когеренитности, дозы, длины волны и режима облучения // Квантовая электроника. М., 1982. - № 9 ~ С. 1761-1767.

19. Кару Т.Й., Пятибрат Л.В., Рябых Т.П. Немонотонность зависимости доза-эффект при облучении клеток in vitro импульсным лазерным излучением с 1=820 нм. // Доклады Академии наук. М., 1997,-том 354 (№ 1).-С. 117-119.

20. Кейси X., Паниш. М. Лазеры на гетероструктурах, Пер. с англ. Б.Н. Свердлова/ Под ред. П.Г. Елисеева. -М.: Мир, 1981. Т.2- 364 с.

21. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: «Энергия», 1980 - 232 с.

22. Козлов В.И. Буйлин В.А., Самойлов Н.Г. и др. Основы лазерной физио- рефлексотерапии. Самара-Киев: Здоров'я, 1993. - 216 с.

23. Козлов В.И., Буйлин В.А. Лазеротерапия с применением аппарата лазерной терапии «Мустанг». М.: «Техника», 1998. - 148 с.

24. Комаров Ф.И., Загускин С.Л., Рапопорт С.И. Хронобиологическое направление в медицине. // Изв. РАМН. Биоуправляемая хронофизиотерапия. М., 1994, - Т. 66 (№8). -С. 3-6.

25. Кочетков A.B., Стрельцова E.H., Москвин С.В, Сочетанное применение импульсного НИЛИ 0,63 и 0,89 мкм при цереброваскулярной недостаточности // Матер. 2-го межд. конгр. «Лазер и Здоровье». Москва, 1999. - С.328-330.

26. Ларюшин А.И. Оптоэлектроника в промышленности и в медицине. Казань: Абак, 1997. - 478 с.

27. Марсагишвили Л., Москвин C.B., Кудинова М. Полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения 0,63 мкм // Врач. М., 1997. - №1. - С. 18.

28. МИ 1818-87 Средства измерений средней мощности лазерного излучения от МО"10 до МО'2 Вт для волоконно-оптических систем передачи. Методика поверки. М.: Издательство стандартов, 1988. - 15 с.

29. МИ 2506-98 Фотометры лазерных терапевтических аппаратов встроенные и автономные. Методика поверки. М.: Издательство стандартов, 1998. - 13 с.

30. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры: Пер. с англ. /Под ред. Л. Ченга, К. Полога./ М.: Мир, 1989 - 584 с.

31. Москвин C.B. Современная лазерная терапевтическая аппаратура И Козлов В.И., Буйлин

32. B.А. Лазеротерапия с применением АЛТ «Мустанг». М.: Фирма «Техника», 1998.1. C.40-54.

33. Москвин C.B. Аппаратура для низкоинтенсивной лазерной терапии // Науч.-информ. сборник «Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний». Вып.2. -М., 1998. С.38-41.

34. Москвин C.B. Аппаратура для низкоинтенсивной лазерной терапии фирмы «Техника» // Лазерная медицина. 1998. - Т.2, вып.2-3. - С.62-69.

35. Москвин C.B., Ручкин М.М., Титов М.Н. Особенности лазерных аппаратов для научных биологических исследований // Матер. XII Межд. научно-практ. конф. «Применение лазеров в медицине и биологии». Харьков, 1999. - С.124.

36. Москвин C.B. Новые импульсные полупроводниковые лазеры с длиной волны 0,630,65 мкм для высокоэффективной низкоинтенсивной лазерной терапии // Матер. XII межд. научно-практ. конф. «Применение лазеров в медицине и биологии». Харьков, 1999.-С. 124-126.

37. Москвин C.B. Новые импульсные полупроводниковые лазеры с длиной волны 0,63-0,65 мкм для высокоэффективной низкоинтенсивной лазерной терапии // Матер. 2-го матер. 2-го Межд. конгр. «Лазер и Здоровье». Москва, 1999. - С.530-532.

38. Москвин C.B., Суханова Ю.С. Лазерная терапевтическая аппаратура в ортодонтии // Ор-тодент-Инфо. 2000, № 3. - С.21-23.

39. Москвин C.B., Буйлин В.А. Оптимизация лазерного воздействия // Низкоинтенсивная лазерная терапия. М.: «Техника», 2000. - С.141-209.

40. Москвин C.B. Современная эффективная аппаратура для низкоинтенсивной лазерной терапии // Электроника и связь. 2002. - № 15. - С. 110-111.

41. Москвин C.B. Принципы разработки современной аппаратуры для низкоинтенсивной лазерной терапии // Матер, научно-практ. конф. росс, ученых «Актуальные аспекты лазерной медицины». Москва-Калуга, 2002. - С.467-469.

42. Москвин C.B. АЛТ «Мустанг-2000» аппарат нового поколения / Матер, научно-практ. конф. «Низкоинтенсивная лазерная терапия» // Лазерная медицина. - 2002. - Т.6, вып.4. -С.53-55.

43. Москвин C.B. Эффективность лазерной терапии. М.: «Техника», 2003. - 256 с.

44. Мыслович Л.В., Москвин C.B. Низкоинтенсивные лазеры и вакуумный массаж в косметологии и лечении некоторых дерматологических заболеваний. М.: «Техника», 2000.- 112 с.

45. Насонов Д.Н. Местная реакция протоплазмы и распространяющееся возбуждение. М.: АН СССР, - т.6, 1992. - 426 с.

46. Нефедов Е.И. Протопопов А.А., Семенцов А.Н. и др. Взаимодействие физических полей с веществом. Тула: ТулГУ, 1995. - 179 с.

47. Никитин А.В., Москвин С.В., Телегин А.А. Применение низкоинтенсивного лазерного излучения красной части спектра в терапии хронического обструктивного бронхита // Лазерная медицина. М.: «Техника», 2001. - Т.5 (вып.1). - С.16-18.

48. Обросов А.Н. О теориях рефлекторного механизма действия физических факторов и функциональных систем организма// Вопросы курортологии. 1985. №3. - С. 46-48.

49. Пат. 2117506 RU, МКИ А 61 N 5/06. Лазерное терапевтическое устройство / С.В. Москвин, М.Н, Титов, М.М. Ручкин, Ю.Б. Глазков. -№ 97117009/14; Заявлено 22.10.97; Опубл. 20.08.98, Бюл. № 23, Приоритет 22.10.97.

50. Пат. 2135233 RU, МКИ А 61 N 5/06. Лазерное терапевтическое устройство / С.В. Москвин, М.Н. Титов, М.М. Ручкин, Ю.Б. Глазков, А.Л. Сергеев, Г.Т. Микаелян, В.А. Буйлин. -№ 99100456/14; Заявлено 21.01.99; Опубл. 27.08.99, Бюл. № 24, Приоритет 21.01.99.

51. Плеханов Г.Ф. Восприятие информации живыми системами. М.: Наука, 1965. - С.273-278.

52. Пресман A.C. Электромагнитные поля и живая природа. М.: Наука, 1968. - 288 с.

53. Ромаданов А.П., Богданов, Лященко Д.С. Первичные механизмы действия иглоукалывания и прижигания. К.: Вища школа, 1984. - С. 8-16.

54. Ромашков А.П., Тихомиров C.B., Москвин C.B. Вопросы сервисного и метрологического обслуживания лазерной терапевтической аппаратуры в России // Лазерная медицина. -1997. Т.1, вып.2. - С.35-38.

55. Ромашков А.П., Москвин C.B. Особенности метрологического обеспечения лазерной медицинской техники // Матер, научно-практ. конф. росс, ученых «Актуальные аспекты лазерной медицины». Москва-Калуга, 2002. - С.471-473.

56. Суворов Н.В., Трубачев В.В. Адаптивное регулирование клеточной активности в ходе эксперимента с обратной связью // Материалы Четвертой всесоюзной конференции «Биологическая и медицинская электроника».- Свердловск, 1972. 4.2 - С. 18-19.

57. Улащик B.C. Лукомский И.В. Основы общей физиотерапии. Минск-Витебск: Здравоохранение, 1997. - 256 с.

58. Улащик B.C. О влиянии физических факторов на действие других лечебных средств (к проблеме терапевтической интерференции)// Вопросы курортологии. 1998. №4 - С. 4649.

59. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. М.: «Мир», 1985. - 380 с.

60. Шеннон К. Работы по теории информации. М.: Иностр. Лит., 1966. - 132 с.

61. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989.-225 с.

62. Bahr F. Grudsalzliches zur laser-anwendung in der Akupunktur // Der Akupunkturarzt (Auriculotherepeut). 1986. Bd. 3 - S. 59-66.

63. Berki T. Et al. Biological Effect of Low-power Helium-Neon (He-Ne) Laser Irradiation// Laser in Medicine Science. 1988. - Vol.3. - P. 35/

64. Bogatov F.P., Prof. Eliseev P.G., Manko M.A., Mikaelyan G.T. and Sverdlov B.N. "Nonwaveguide" mode semiconductor injection lasers. IEE PROC., Vol. 129, Pt I, № 6, December 1982, P. 252-255.

65. Buylin V.A., Moskvin S.V. Low-intensity Laser Therapy of Various Diseases. Moscow, 2001.-176 p.

66. Haina D. Et al. Animal Experiments on Light-Induced Woundhealing // Biophysica Berlin/ -1973 - Vol. 35(3). - P.227-230/

67. Kara T., Pyatibrat L., Kalendo G.S. et al. Effects of Monochromatic Low-Intensity Light and Laser Irradiation on Adhesion of Hela Cells in Vitro 11 Laser in Surgery and Medicine. 1996. -Vol/18.-P. 171-177.

68. Karu T., Tiphlova O., Esenaliev R. Et al. Two different mechanisms of low-intensity laser photobiological effect on Escherichia coli // J.Photochem. Photobiol. B.: Biol. 1994. Vol. 24 -P. 155-161.

69. Morowitz H., Energy Flow in Biology. New York, Academic Press. - 1968.

70. Moskvin S.V. Low-intensity laser therapy apparatuses// Proceedings of SPIE, Vol. 4422 -USA, 2001. p.65-73.

71. Ohshiro T., Calderhead R. Low Level Laser Therapy: A Practical Introduction. Chichester -New York, Brisbene - Toronto - Singapore, John Wiley&Sons, 1988. - P. 141.

72. Titov M.N., Moskvin S.V., Priezzhev A.Y. and Zaguskin S.L. Role of biological rhythms in the formation of cell and tissue response on laser irradiation // Paper # 2323/529 presented at SPIE's Symposium «BIOS Europe '94». Lille, 1994. - P.529-536.

73. Tuner J., Hode L. Laser therapy in density and medicine. Stockholm, Sweden: Prima Books 1996. - 236 p.