光生物调节作用

什么是光生物调节作用?
证据

  • 什么是光生物调节作用?
  • 到达目标组织
  • 波长选择
  • 功率的重要性
  • 如何理解剂量
  • 脉冲和频率
  • 专业术语

什么是光生物调节疗法?

光生物调节疗法是一种在可见光(400 - 700纳米)和近红外(700 - 1100纳米)电磁光谱中利用非电离光源,包括激光、发光二极管和/或宽频光的光疗法。这是一个非热过程,包括内源性色素团引起光物理(即线性和非线性)以及不同生物尺度的光化学活动。这一过程产生有益的治疗结果,包括但不限于减轻疼痛或炎症,免疫调节,促进伤口愈合和组织再生。光生物调节(PBM)治疗这个术语现在被研究者和从业者所使用,取代了以往的低功率激光治疗(LLLT)、冷激光或激光治疗这样的术语。

目前在科学文献中,支持光生物调节(PBM)治疗的基本原则是相对明确的。人们一致认为,将一定治疗剂量的光照射到受损或功能失调的组织上,会引起线粒体机制介导的细胞反应,从而减轻疼痛和炎症并加速愈合。

这个过程的主要目标(发色团)是细胞色素C复合物,它存在于细胞线粒体的内膜中。细胞色素C是驱动细胞代谢的电子传递链的重要组成部分。当光被吸收时,细胞色素C受到刺激,导致三磷酸腺苷(ATP)产量增加,ATP是一种促进细胞内能量转移的分子。除了ATP外,激光刺激还产生游离一氧化氮和活性氧。一氧化氮是一种功能强大的血管扩张剂,是参与多种生理过程的重要细胞信号分子。活性氧已被证明影响许多重要的生理信号通路,包括炎症反应等。同时,这些信号分子的产生已经被证明能够诱导生长因子的产生,增加细胞的增殖和活力,促进细胞外基质的沉积和促活通路。在细胞外,一氧化氮信号驱动血管舒张,改善受损组织的微循环,在清除废物的同时输送氧气以及重要的糖、蛋白质和盐。

到达目标组织

要发生PBM,光需要到达受损靶组织的细胞线粒体。激光疗法应用于皮肤表面,当足够的光能(光子数)到达目标组织时,就能获得最佳的临床效果。有助于使到达目标组织的光能最大化的因素有许多,包括:

选择适当的波长,足够的激光功率,减少反射,以及尽量减少不参与光生物调节的分子对激光的吸收。

什么波长的光最适合用于光生物调节(PBM)?

与覆盖波长范围很广的白光不同,激光有特定的波长(单色性)。用来衡量波长的单位是纳米(nm)。为了研究黑色素、血液、脂肪和水是如何吸收光线的,已经进行了大量的研究,这使得研究人员定义了一个窗口或波长范围,这个波段的光线可以穿透生物组织。这个窗口被称为光学或治疗窗口。通常,光学窗口的图显示在对数刻度上,对数刻度会使低于1的峰值最大化,大于1的峰值最小化,如图1所示。在对数刻度上标汇允许绘制大范围的光强度。然而,数据的对数表示可能会被误解,例如,从图中查看吸收值,您可以看到,在1000 nm以下,水的吸光度小于0.5。

在线性图上可以更好地观察水吸光率的差异。下面的图2是线性尺度上的光吸收率图表。下图是450nm至1400nm区域的放大图。在980nm附近有一个小的峰值,但最大值仅为0.4。皮肤对光的吸收主要由黑色素决定。810nm和980nm都在“光学窗口”中,其他色团的吸收在这里被最小化。这两种波长都在治疗或光学窗口中,对激光治疗都是有效的。由于黑色素在较低波长的吸收占主导地位,因此980nm对黑色素皮肤的最大穿透性更好。

LiteCure的首席技术官Luis DeTaboada也对不同波长的激光穿透深度进行了建模,以进行比较。

图片 2:

从Hale和Querry生成的数据。 水在200 nm至200μm波长范围内的光学常数。申请 选择。1973; 12:555-563。 图3显示了各吸收系数在线性尺度上随波长变化的曲线。与血红蛋白、氧血红蛋白、水和脂肪相比,黑色素的吸收比更高。一般来说,红光(600 ~ 700 nm)可以用来治疗皮肤浅表的病症,但要达到更深的组织结构就需要800 ~ 1000 nm的光。

吸收系数与波长的线性关系图。吸收系数数据来自俄勒冈州医疗激光中心,组织中吸收光的主要成分是:黑色素、氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、脂肪和水。黑色素对较低波长的光的吸收率很高,所以深色皮肤会吸收更多的光,尤其是波长在500 – 800nm之间的光。波长超过1200纳米的光很容易被水吸收,这种波长较长的激光通常用于烧蚀手术或皮肤表面修复。当前对于光生物调节作用的理解是波长范围800 nm - 1000 nm的光能够穿透皮肤表面组织从而达到深层的肌肉组织。LiteCure激光器通常发出810nm和980nm的混合光。对于深色皮肤(及/或深色毛皮(动物))的治疗选项,激光器将自动切换至全980 nm激光,从而最大限度地减少黑色素的吸收。

图片 3:

各吸收系数在线性尺度上随波长变化的曲线。与血红蛋白、氧血红蛋白、水和脂肪相比,黑色素的吸收比更高。一般来说,红光(600 ~ 700 nm)可以用来治疗皮肤浅表的病症,但要达到更深的组织结构就需要800 ~ 1000 nm的光。

什么是激光功率,它如何影响光生物调节(PBM)?

激光光能是用激光功率来衡量的。

功率似乎很简单,但在谈论激光治疗时,不能只是简单地声称输出功率。不仅功率很重要,治疗区域的大小也很重要。激光的典型功率单位是瓦特(缩写为W)。早期治疗激光功率非常低(小于0.5 W),光束面积(或光斑大小)非常小。因此,早期往往无法获得令人满意的临床研究结果,因为低功率无法提供足够数量的光子到达更深的组织。

美国食品和药物管理局(FDA)根据激光器的输出功率对其进行分类,归为四大类(I至IV类)激光,包括三个子类(IIa、IIIa和IIIb)。2003年12月,FDA批准了第一台用于缓解轻微的肌肉和关节疼痛的IV类激光。2006年10月,LiteCure成立,随后我司的IV类激光治疗仪LCT-1000于2007年2月获得了FDA的批准。LiteCure激光仪输出功率大于0.5W,均为IV类激光器。

由于IV类激光器具有更高的输出功率,因此在使用IV类激光器时应遵循一些附加的安全事项。最重要的一点是对眼睛的保护,激光不能直射眼睛。医生和病人应佩戴经批准的护目镜,以进一步防止光束的意外反射。

重要的是要注意,LiteCure激光器不仅具有更高的功率,而且具有更大的光束面积,使它们能够更好地向更大的治疗区域提供治疗剂量。

为什么需要更高的能量?

简单而言,到达组织表面的光子越多,传送至深层组织的光子就越多。“开启”激光治疗效果所需要的最小光子数称为阈值。针对达到细胞反应所需光照剂量,已经进行了数百项研究,这些研究为达到细胞水平所需的激光能量提供了一个基线。PBM治疗是无创的,光线照射在皮肤表面。其中一些光被皮肤反射或被其它与受损细胞无关的色素团吸收,无法产生PBM效应。需要对皮肤施加足够的剂量,以便尽管有这些损失,仍有足够的剂量到达皮肤内部并在目标组织发生PBM。

能量越大,在一定时间内对深层组织的穿透就越大。有了更高功率的激光,不仅可以在浅表组织体现PBM的效力,而且还可以通过向组织深处的细胞提供临床有效数量的光子来大大扩展适应症的范围。

如何理解剂量

Companion 激光器不是为定点治疗而设计的。相反,治疗区域应大于光束面积,通过在治疗区域上方连续扫描治疗头来实现PBM治疗(观看下方扫描治疗技术的10秒视频)。Companion 激光治疗是非侵入性的,无法测量给予靶组织的剂量,只能测量送达治疗区域的剂量。

然而,我们从尸体、动物研究和模型中清楚地了解到,激光在到达目标组织的途中在皮肤和脂肪层的吸收会显著减少到达目标组织的剂量。最常用的测量激光治疗剂量的方法,是测量施加于组织表面的能量密度,通常用J/cm2表示。可以观察到临床效果的一些变化,特别是在非常高(>50W)或非常低( < 1w)功率设置使用相同的J/cm2剂量。该测量技术在典型的治疗方案中效果良好,但并非绝对理想。Companion 为每种设备提供治疗指南,并针对不同的临床情况推荐剂量。

脉冲和频率

治疗激光有多种脉冲工作模式。一般来说,脉冲治疗激光器要么在超脉冲模式下工作,要么在门控模式下工作。在超脉冲模式下,大量的能量可以在一段时间内积累起来,然后在一次大的能量爆发中迅速释放出来。超脉冲激光器产生非常短的高频脉冲(约200纳秒)。脉冲具有高峰值功率(1- 50w)和低得多的平均功率(如60mw)。

光生物调节(PBM)治疗可采用连续波(CW)或脉冲模式。随着光生物调节疗法越来越受欢迎,制造商们对特定的脉冲协议和特定的应用波长做出了详细的说明。这些说法可能会误导人,造成混淆。实际上,这些针对特定产品的花哨宣传,与其说是科学,不如说是营销炒作。哈什米等人对连续和脉冲光波的研究结论表明,需要更多的证据16。一般来说,脉冲的使用会减少传送到表面继而到达目标组织的光。

Companion 激光器可以选择在脉冲模式下工作。在 Companion 激光器的脉冲模式下,激光器是门控的,对连续波进行周期性的开关,从而提供较低的平均输出功率。如果你治疗的是一个小的区域,并且想要在较低的功率下治疗较长时间,那么切换到脉冲模式将减少提供给目标组织的50%的有效功率和剂量。

专业术语

计量单位&定义

光照面积:

定义:光束投在表面上的面积。光照面积将取决于使用的治疗头和治疗头与表面的距离。激光物理学家使用激光“光斑尺寸”来代替光照面积。光斑尺寸是光束半径或光束直径,这取决于使用的定义。这就更加复杂了,因为高斯分布的激光束的强度从中心的最大值逐渐减小到边缘的0。由于没有明确的边缘来测量光束的半径或直径,“光斑尺寸”将取决于所使用的光斑大小定义(例如,半最大值处的全宽度或从最大辐照度到辐照度1/e2的距离)。即便如此,可以利用PBM治疗的“扫描”操作,对整个治疗区域的光束辐照度的不均匀性进行平均。

治疗面积:

定义:皮肤表面被治疗的面积。对于 Companion 激光治疗仪来说,这个面积应大于光斑尺寸。

治疗时间:

定义:对整个治疗区域进行治疗的总时长。

曝光时间:

定义: 表面暴露在光照下的时间。
用LiteCure激光进行扫描治疗时,覆盖整个治疗区域。假设对皮肤进行均匀治疗,则在治疗过程中,皮肤对光照的总暴露时间与光照面积与治疗面积之比有关。因此,ts = t* (As/At)。

功率(辐射通量):

定义: 单位时间发出的辐射能量。

脉冲频率:

定义: 当提到激光治疗仪时,大多数医生使用术语频率来表示激光的脉冲频率。激光治疗仪可以在连续或脉冲模式下工作。脉冲频率是激光在一秒钟内打开和关闭的次数。

占空比:

定义: 这个术语用于脉冲激光器。它是激光发射一个周期的百分比。当LiteCure激光器在脉冲模式下工作时,占空比为50%。

有效能量:

定义: 一次治疗中的有效能量总额取决于治疗过程中的平均功率与总治疗时长的乘积。

辐照度:

定义: 激光治疗仪的输出功率除以光束面积,即皮肤表面的功率强度。

剂量:

标准剂量测定法定义:
剂量=辐照度x曝光时间= E * ts
单位: 焦耳/平方厘米  (J/cm2)
扫描时的有效剂量计算:
首先,假设治疗光束是均匀的。
在这种情况下,辐照度就等于功率除以光照面积,E = F /AS。
同时,曝光时间ts = t* (As/At)。
综上:剂量=辐照度x曝光时间 = (F/AS) *t *( As/At) = F t /At

这是总能量除以总治疗面积。
对于LiteCure激光治疗仪而言,剂量是传输到一个区域的总能量除以该区域的总面积(皮肤表面积)。这假定扫描均匀地覆盖治疗区域,使组织获得均匀的剂量。通过均匀地扫描整个区域,光束中的任何不均匀性都被平均到整个治疗区域。

波长:

定义: 电磁波两个连续波峰的间距。

其它术语和定义:

术语:  三磷酸腺苷
缩写或其它术语:  ATP
定义:  细胞中为新陈代谢输送化学能的分子。
术语:  发色团
定义:  分子中捕捉光能的部分。
术语:  连续波
缩写或其它术语:  CW
定义:  以恒定输出功率运行的激光。
术语:  细胞色素c
定义:  线粒体中电子传递链的一个组成部分。
术语:  电磁辐射
定义:  某些电磁过程释放的辐射能。电磁辐射包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。参见电磁频谱。
术语:  电磁频谱
定义:  电磁辐射的波长和频率范围(见下图)。

术语:  内源性
定义:  在有机体内生长或起源的。
术语:  线粒体(pl.线粒体)
定义:  在大多数发生呼吸的生物化学反应和能量产生的细胞中大量存在的一种细胞器。
术语:  近红外(NIR)窗口
缩写或其他术语:  治疗窗口或光学窗口
定义:  光在生物组织中最大穿透深度的波长范围,从650 nm到1350 nm(见下图)。 请访问波长选择页面了解有关水的吸光率的详细信息,并查看作为波长选择线性标尺的各种吸收系数。

术语:  一氧化氮
缩写或其他术语:  NO
定义:  参与多种生理病理过程的重要细胞信号分子。
术语:  协议
定义:  激光治疗仪软件中预先设定的治疗程序。
术语:  活性氧
缩写或其他术语:  ROS
定义:  含氧的化学反应分子。
术语:  血管舒张
定义:  血管扩张,从而导致血流增加。

References:

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