用光能刺激生物組織的方法

2023-08-03 17:57:46

專利名稱：：用光能刺激生物組織的方法
技術領域：
：本發明的背景1.發明領域本發明總的來說涉及經光輻射治療活生物組織的方法，具體地說，本發明涉及用雷射輻射刺激軟的活組織的方法。2.
背景技術：
描述各種非手術方法已用於活組織的治療處理。這種技術包括使用超聲波能、電刺激、以透熱療法、X射線和微波照射進行的高頻刺激。電刺激、透熱療法、X光和微波照射之類的技術對軟組織已顯示出某些治療優點。然而，由於過度的熱作用造成的組織損傷，它們的使用受到某種程度的限制。因而，用涉及透熱療法、X射線，微波和電刺激的治療處理有關的能量水平已被限制在如此低的水平上以致於只能獲得很少的益處或者根本不能獲得益處。此外，必須細心地控制微波和X-射線輻射的劑量或暴露以避免出現與所述的輻射相關的健康問題。超聲波能不被優先吸收並且影響所有周圍的組織。由雷射產生的光能已被應用於各種醫學和外科目的，由於雷射光線的單色與連續的性質，依據所照射的組織的性質和光線的波長的某些特徵(包括反射率、吸收係數、散射係數、熱傳導率以及熱擴散常數)，其可以被活組織選擇性地吸收。反射率、吸收係數和散射係數取決於光輻射的波長。已知吸收係數依賴於帶內(interband)躍遷、自由電子吸收、柵格吸收(聲子吸收)和雜質吸收之類的因素(其取決於光輻射的波長)。在活組織中，水是一個在紅外範圍中有吸收帶(按照水分子的振動)的主要的組分。由於血紅蛋白的存在，在可見範圍中存在吸收。而且，在活組織中的散射係數是一個佔主要地位的因素。這樣，對於一種給定的組織類型而言，雷射光線可以通過組織傳播，基本上不衰減，或者幾乎可以被徹底地吸收。組織被加熱並最終被破壞的程度取決於它吸收光能的程度。一般來說，雷射光線最好是在希望不受影響的組織中基本上被傳送，在待受影響的組織中被吸收。例如，當在由血液或水潤溼的組織處使用雷射輻射時，希望光能不被水或血液吸收，從而使雷射能特異性地針對待治療的組織。雷射治療的另一個優點是光能可以以精確的、非常有限的位置和以預定的有限的能量水平被傳送到治療組織。已知紅寶石和氬雷射發射電磁光譜可見部分的光能，並且已成功地用於眼科學領域，以便將視網膜再連接到下面的脈絡膜上，和經穿過眼睛前面的部分減少眼間壓力來治療青光眼。紅寶石雷射能具有694納米的波長，在可見光譜的紅色部分。氬雷射發射在488和515納米的能量，因此出現在可見光譜的藍綠色部分。紅寶石和氬雷射光束很少地被水吸收，但被血液色原體血紅蛋白強烈吸收。這樣，紅寶石和氬雷射能很少被非著色的組織(如眼角膜，透鏡以及玻璃體)吸收，但是較好地被著色的視網膜吸收，其然後在此發生熱作用。已在外科手術中採用的另一種雷射類型是二氧化碳(CO2)氣體雷射，其發射強烈地被水吸收的光束。CO2雷射的波長為10.6微米，因此位於電磁光譜的不可見遠紅外區，並且不依賴於組織顏色被所有具有高水含量的軟組織吸收。這樣，CO2雷射構成了一個良好的外科解剖刀和汽化器。因為它完全被吸收，所以其穿透的深度淺，就所治療的組織表面而言可被精確地控制。因此，CO2雷射非常適合用於各種外科方法中，其中其對蒸發或者凝結無色組織是必需的，對鄰近組織具有的最小的熱破壞。另一個得到廣泛利用的雷射是釹塗布的釔-鋁-石榴石(NdYAG)雷射。NdYAG雷射在電磁光譜的近紅外區中其1,320納米第二波長處具有作用的良好方式。NdYAG光發射被血液吸收的程度高於被水吸收的程度，這使得其在凝結大的出血脈管上有用。在1,320納米的NdYAG雷射已通過內窺鏡發射來治療各種胃腸流血損傷，如食管的脈管曲張、消化器官潰瘍以及動靜脈異常。這樣的雷射能的應用非常適合於需要高能熱作用的場合(如組織汽化、組織燒灼、凝結)和作為外科手術刀。下列美國專利公開了通過雷射輻射治療處理活組織的儀器和方法3,456,6513,720,2134,141,3624,144,8884,367,7294,561,4404,573,4654,589,4044,601,2884,604,9924,672,9694,692,9244,705,0364,931,0534,966,144三個專利Dew，4,672,969.00；LEsperance，Jr.4,931,053.00(1990年6月5日申請)；和Rochkind等4,966,144.00(1990年10月30日申請)充分描述了現有技術，這一現有技術教導了在某些特定的應用中使用雷射能。Dew公開了一種雷射(具體地說是在1,320納米的第二波長下進行操作的NdYAG雷射)的用途。Dew公開了NdYAG雷射通常在1,060納米進行操作。Dew專利的目的是使用雷射使得創傷閉合和重構生物組織。雷射能轉化成熱，熱最終將組織斷裂成充當″生物粘合劑″的膠原成份。LEsperance教導了用於可見紅或低紅外與極端低能雷射照射組織中的兩種雷射光束的利用。LEsperanc教導了使用氦-氖或者氪雷射。LEsperance所使用的波長是傳送15毫瓦輸出功率的610-660納米。Rochkind(1990年10月30日申請)使用連續的或不連續的壽命(life)，但描述了在632納米(具有16毫瓦/cm2強度)進行操作的氦-氖雷射或者產生465或520納米(具有約40毫瓦/cm2光強度)的氬型雷射。此外，Rochkind描述了實現發明所尋求的方法的兩步法；在外科手術期間打開和暴露組織時進行第一次處理，在縫合後進行第二次處理。發明目的已在非常低功率(典型地完全在100毫瓦以下)水平上嘗試了用於刺激軟組織以減少疼痛和發炎，刺激微循環以減少癒合時間之目的的常規雷射的使用。儘管已取得某些治療益處，但治療時間長得不可接受。因此，本發明的目的是提供為了治療目的安全有效地將反應性雷射施用於活組織而不需將所說組織暴露在破壞性的熱作用下的方法，所述的治療目的例如以較高水平的功率減少疼痛、減少發炎，和通過刺激微循環促進組織癒合。這一方法縮短了本領域已知的治療時間。發明概述已發現本發明的方法在不將所說活組織暴露在破壞性的熱作用下減少軟組織疼痛、減少發炎和通過刺激微循環促進組織癒合，所述方法使用100毫瓦到800毫瓦範圍內低水平反應性雷射系統，用NdYAG雷射在1,064納米的基礎波長下產生的光能以脈衝或連續方式進行。在另一種方法中，光能是由1,055納米波長的釹塗布的釔-鋰-氟化物(NdYLF)雷射產生的，或者由在1,000至1,150納米優選波長範圍內的某些其它雷射產生的。在波長和功率組織耗散水平上用光能照射活組織，以便產生被吸收和被轉化成熱的光能的量在足以將所照射的組織的平均溫度提高到基礎體溫之上的最小吸收率所限定的範圍內，但低於組織轉化成膠原物質時的吸收率。小心控制波長、位點、光束大小、功率、暴露時間，以便在所照射的組織中產生明顯的熱作用，但該作用是有限的以避免熱作用產生的組織損傷。沒有所引用的現有技術教導了本發明。如本說明書所提出的，NdYAG雷射在其1,064納米的基本波長(具有80-100毫瓦的功率)下進行操作。或者NdYLF雷射在1,055納米的波長(具有相同的功率範圍)下進行操作。LEsperance和Rochkind都沒有教導以這種特定的方式使用NdYAG雷射。LEsperance和Rochkind都詳細描述了約本發明的一半波長的優選的操作方法。事實上，LEsperance利用了兩個光束而非一個光束。沒有現有技術公開NdYAG雷射在其1,064納米基本波長處的用途。下表比較了Dew、L-Esperance和Rochkind的技術與本發明。儘管L′Esperance可以教導Rochkind的方法，但甚至沒有現有技術暗示NdYAG雷射可以以這種方式用很大的功率使用和獲得所需的結果。優選實施方案的描述按照優選的方法，所述雷射能是以100-800毫瓦輸出功率水平和1.064納米基本波長由NdYAG雷射產生的。將所述雷射光能運用於身體的需要減少肌肉痙攣、增加循環、減少疼痛或者加快組織癒合的區域。界定表面區域，以所需量的時間和強度(具有限制在約1焦耳/cm2到約15焦耳/cm2範圍的被照射組織能量密度)用雷射光束照射組織表面以產生所需的治療作用。治療的強度和時間長短由待治療的組織、所需侵入的深度、損傷的劇烈程度以及患者的狀況確定。為了減少疼痛、減少發炎、並經刺激微循環加快組織癒合的目的，說明了一個低水平反應性雷射系統的治療處理方法，所有過程在不產生組織破壞性熱作用的情況下成功地進行。一個NdYAG雷射共振器用作雷射源。其基本波長是1,061納米，並且具有100毫瓦-800毫瓦的可調光束能量輸出。所述雷射可以以脈衝或者連續方式進行操作，其輸出由在0.1-9.9分鐘範圍內的暴露定時器控制。脈衝接通時間以0.1秒間隔時間在0.1-9.9秒的範圍內可調。脈衝斷開時間也以0.1秒間隔時間在0.1-9.9秒的範圍內可調。NdYAG雷射光束在1,064納米的電磁光譜紅外部分(因此是不可見的)進行操作。將光束傳送到靶範圍內的方法是採用柔軟的石英纖維與聚焦的機頭。NdYAG雷射光束脫離雷射頭的輸出耦合器，並在通過循環可變的中等密度衰減器之前由一對排列的楔形物引導。穿過衰減器的光線通過一對在光學纖維電纜最接近的末端上的90毫米焦點長透鏡聚焦。主要光束衰減器是放置在輸出耦合器和光束引導鏡之間的雷射頭外部的開閉器。其包括四個組件90度反射稜柱、開閉器臂，開閉器安裝支架和促進螺線管。稜柱安裝到開閉器臂上，以便在通常關閉的位置上稜柱攔截雷射光束，並將其向下反射到雷射板中的光束堆存處(dump)。當輸出通道被選擇，並且腳踏板被壓下時(其導致開閉器臂提高並使得光束提高)，螺線管是有能量的。當螺線管臂去能量時，開閉器下降到關閉的位置。光能由一種連續的光源產生，優選的是由在電磁光譜的近紅外區中的1,064納米波長的雷射產生。雷射由指導光能光束到組織表面的光纖維導向裝置和耦合器提供。控制光輻射的能量，並用於產生在所照射的組織中的最小吸收率，該吸收率將所照射組織的平均溫度提高到基礎體溫水平之上，但其不超過最大吸收率(其大得足以將所照射的組織轉化成膠原物質)。通過廣泛的試驗已確定，在100-800毫瓦功率輸出的水平的1,064納米的主要波長下，以在治療位點上產生約1.0焦耳/cm2和15焦耳/cm2範圍內的發射雷射光束能量密度的聚焦的雷射光束操作NdYAG雷射時可滿足上述條件。當使用上述方法時，觀察到了在組織中的和在細胞水平上的某些生理機制。在微循環系統評價中，例如，血液脈管壁具有感光性已被證明。當血液脈管壁暴露於以上提出的雷射輻射時，緊張在平滑肌細胞中受到抑制，這樣，在毛細管中增加血流量。已觀察到的其它作用是外周的毛細新血管形成、血液血小板聚集減弱、三價至單價形式的O2還原(由此使得組織有更大的氧合作用)、在血液中緩衝物質濃度降低、紅細胞變形指數穩定、血液過氧化的脂氧化產物減少。已觀察到的其它作用是抗凝血酶活性指數增加、抗氧化劑系統酶(如超氧化物歧化酶和過氧化氫酶)的刺激作用。觀察到從所照射的區域的靜脈和淋巴和流出物增加。在上述區域中的組織滲透性實質上得到提高。這有助於在組織中立刻減少水腫和血腫濃縮物。在細胞水平上，也注意到線粒體產生增加量的ADP，爾後增加ATP產生。也似乎增加了組織膜上在細胞水平上的鈣和鈉泵的刺激作用。在神經元水平上，觀察到了作為前述治療處理的結果的下列作用。首先，存在壓碎的和完整的神經的增加的作用潛力。在所照射的區域上血液供給和軸突數量增加。當組織被治療時，注意到傷疤組織的抑制作用。存在神經膜通透性的立即增加。已觀察到通過神經的鈣和鉀離子通透性至少在120天長期變化。RNA和隨後的DNA的生產增加。產生單價氧(其在細胞再生中是一個重要的因素)。具有神經損傷的病理退化改變成再生。星形膠質細胞和少突神經膠質細胞受到刺激，造成外圍神經軸突和髓磷脂的生產增加。血液的吞噬細胞裂解增加，進而實質上減少感染。也顯示出明顯的抗炎症現象，其使得腱、神經、關節囊的炎症減少，同時產生加強的膠原。在有限的循環條件下在傷口閉合中也有對明顯增加的粒狀組織的影響。已觀察到組織的痛覺缺失與組織水平上的複雜的系列活動相聯繫。在局部水平上，有炎症的減弱，引起滲出物的再吸收。腦啡肽和內啡肽得到補充，在脊髓水平上和人腦中調節疼痛的產生。serotnogenic途徑也得到補充。雖然不是完全清楚，但人們相信組織的照射造成在細胞水平上的能量平衡的回覆(這是疼痛減弱的原因)。在另一種方法中，雷射能是由1,055納米的波長的NdYAG雷射產生的。其它雷射可被使用或者被開發，以便以相同的功率水平在約1,000到約1,150納米的優選的範圍內進行操作。儘管參照優選的方法和參照特定的治療用途描述了本發明，但以上的描述不是用來進行限制性意義上的解釋的。對本領域技術人員而言，以上說明書的內容提示了所公開的實施方案的修改和本發明的其它應用。因此，應注意到，所附權利要求將覆蓋落於本發明真正範圍內的任何這樣的修改或實施方案。權利要求1.一種用於治療活體生物組織小治療區而不需將所說組織暴露在損傷性熱作用下的方法，所說的方法包括用一種低水平反應性雷射產生連續的光能輻射，該輻射具有在電磁光譜近紅外區範圍內的波長，其輸出功率在約100毫瓦到約800毫瓦的範圍內，和將所說的連續的光能輻射聚焦在所說的小治療區，以使在所照射的組織中吸收和轉化成熱的比率在足以使被輻射組織的平均溫度提高到活體基礎體溫水平之上的最小比率與低於所照射的組織轉化成膠原物質時的比率的最大比率之間的範圍內，其中所說的光能輻射在所照射的組織位點上的密度在約1.0焦耳/cm2到約15焦耳/cm2的範圍內。2.按照權利要求1的方法，其中所說的波長是約1,064納米。3.按照權利要求2的方法，其中所說的低水平反應性雷射包括NdYAG雷射。4.按照權利要求3的方法，其中在柵格中的許多小治療區上用所說的連續的光能輻射以提供治療效果所需量的時間和強度照射所說的組織。5.按照權利要求3的方法，其中每一個小治療區具有在約0.5mm2到約2mm2的範圍內的區域。6.按照權利要求3的方法，其中所說的低水平反應性雷射用接通時間在0.1至9.9秒範圍內，斷開時間在0.1至9.9秒範圍內的各脈衝來脈衝。7.按照權利要求3的方法，其中以繼續不斷的方式操作所說的低水平反應性雷射。8.按照權利要求1的方法，其中所說的波長是約1,055納米。9.按照權利要求4的方法，其中所說的低水平反應性雷射包括NdYLF雷射。10.按照權利要求9的方法，其中在柵格中的許多小治療區上用所說的連續的光能輻射以提供治療效果所需量的時間和強度照射所說的組織。11.按照權利要求9的方法，其中每一個小治療區具有在約0.5mm2到約2mm2的範圍內的區域。12.按照權利要求9的方法，其中所說的低水平反應性雷射用接通時間在0.1至9.9秒範圍內，斷開時間在0.1至9.9秒範圍內的各脈衝來脈衝。13.按照權利要求9的方法，其中以繼續不斷的方式操作所說的低水平反應性雷射。14.按照權利要求1的方法，其中所說的低水平反應性雷射包括NdYAG雷射。15.按照權利要求1的方法，其中所說的低水平反應性雷射包括NdYLF雷射。16.按照權利要求1的方法，其中在柵格中的許多小治療區上用所說的連續的光能輻射以提供治療效果所需量的時間和強度照射所說的組織。17.按照權利要求1的方法，其中每一個治療點具有在約0.5mm2到約2mm2的範圍內的區域。18.按照權利要求1的方法，其中所說的低水平反應性雷射用接通時間在0.1至9.9秒範圍內，斷開時間在0.1至9.9秒範圍內的各脈衝來脈衝。19.按照權利要求1的方法，其中以繼續不斷的方式操作所說的低水平反應性雷射。20.按照權利要求1的方法，其中所說的波長在約1,000納米到約1,150納米的範圍內。全文摘要以一定的波長和功率耗散水平用光能照射活體生物組織,使得在組織中被吸收的和被轉化成熱的光能的量在由足以使被輻射組織的平均溫度提高到活體基礎體溫水平之上的最小吸收率,但低於組織轉化成膠原物質時的吸收率所限定的範圍內。根據這一方法,在被照射的組織中產生治療和溫暖效果,但不引起由加熱過度產生的組織損傷。業已發現,使用100毫瓦到800毫瓦的低水平反應性雷射系統,以脈衝或連續方式在1,064納米基本波長下由Nd:YAG雷射產生光能的方法可降低軟組織疼痛、減少發炎和經刺激微循環促進組織癒合,而不使活組織受到損傷性的熱作用。文檔編號A61B18/20GK1179727SQ95197798公開日1998年4月22日申請日期1995年3月31日優先權日1995年3月31日發明者G·J·比林格申請人:雷射生物治療公司