RU2740123C1 - Method of laser biomodulation and increase of blood-brain barrier permeability - Google Patents
Method of laser biomodulation and increase of blood-brain barrier permeability Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740123C1 RU2740123C1 RU2019144502A RU2019144502A RU2740123C1 RU 2740123 C1 RU2740123 C1 RU 2740123C1 RU 2019144502 A RU2019144502 A RU 2019144502A RU 2019144502 A RU2019144502 A RU 2019144502A RU 2740123 C1 RU2740123 C1 RU 2740123C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- brain
- radiation
- skull
- immersion agent
- laser
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине, а именно к методу управления функциональным состоянием мозга, в том числе гемато-энцефалическим барьером (ГЭБ), в частности, к оптическому управлению функционального состояния мозга, включая ГЭБ и может быть использовано для малоинвазивного воздействия на клетки и сосуды головного мозга для обеспечения усиленной их проницаемости для патологических продуктов метаболизма и лекарственных препаратов при лечении опухолей мозга, инсультов, мигрени, депрессии, болезни Альцгеймера и других заболеваний головного мозга. The invention relates to medicine, namely to a method of controlling the functional state of the brain, including the blood-brain barrier (BBB), in particular, to the optical control of the functional state of the brain, including the BBB and can be used for minimally invasive effects on the cells and blood vessels of the brain to ensure their enhanced permeability to pathological metabolic products and drugs in the treatment of brain tumors, strokes, migraines, depression, Alzheimer's disease and other brain diseases.
Одним из наиболее перспективных методов воздействия на мозг человека и животных является оптический метод воздействия благодаря своей абсолютной безопасности при кратковременных воздействиях, сравнимых по уровню с радиацией, получаемой от солнца в яркий солнечный день. Высокая чувствительность и уникальная специфичность на молекулярном уровне структур мозга к оптическому воздействию по сравнению с воздействиями других физических полей (электрических, акустических, и тепловых) являются фундаментальными свойствами таких воздействий, которые могут дать новые уникальные технологии лечения широкого спектра заболеваний мозга, в том числе основанные на оптогенетике и обратимом нарушении биологических барьеров как новых самостоятельных направлениях в управлении структурами и процессами в головном мозге. Оптическое воздействие в биомедицине определяется взаимодействием света с микроскопическими и макроскопическими составляющими среды в результате поглощения и рассеяния света. Характеристики поглощения и рассеяния света тканями головы человека определяют дозу воздействия излучения на специфические участки мозга в результате его облучения.One of the most promising methods of influencing the brain of humans and animals is the optical method of exposure due to its absolute safety in case of short-term exposure, comparable in level with the radiation received from the sun on a bright sunny day. High sensitivity and unique specificity at the molecular level of brain structures to optical effects in comparison with the effects of other physical fields (electric, acoustic, and thermal) are fundamental properties of such effects, which can provide new unique technologies for the treatment of a wide range of brain diseases, including those based on optogenetics and reversible violation of biological barriers as new independent directions in the control of structures and processes in the brain. Optical impact in biomedicine is determined by the interaction of light with microscopic and macroscopic components of the environment as a result of absorption and scattering of light. The characteristics of absorption and scattering of light by tissues of the human head determine the dose of radiation exposure to specific areas of the brain as a result of its irradiation.
Известен способ открытия гематоэнцефалического барьера в головном мозге субъекта неинвазивным методом (см. WO 2007 035721, МПК А61N 1/00, опубл. 29.03.2007), заключающийся в воздействии на мозг ультразвукового излучения, при этом применяют сфокусированный ультразвуковой луч с частотой 1,525 МГц, скоростью распространения около 10 Гц и длительностью импульса 20 мс.There is a known method of opening the blood-brain barrier in the brain of a subject by a non-invasive method (see WO 2007 035721, IPC
Однако, применение ультразвукового воздействия для открытия ГЭБ мало эффективно, поскольку для доставки лекарственных препаратов в ткани мозга наряду с таким воздействием необходимо дополнительное применение микрокапсул, что усложняет способ и приводит к значительным затратам для его реализации. Кроме этого, воздействие мощной ультразвуковой волны приводит к нагреву до 40оС циркулирующих в крови микрокапсул, что приводит наряду с повышением проницаемости ГЭБ и к таким негативным последствиям, как мозговые геморрагии и отек тканей головного мозга. However, the use of ultrasound exposure to open the BBB is not very effective, since for the delivery of drugs to the brain tissue, along with such exposure, additional use of microcapsules is required, which complicates the method and leads to significant costs for its implementation. In addition, the impact of a powerful ultrasonic wave leads to heating of microcapsules circulating in the blood to 40 ° C, which, along with an increase in the BBB permeability, leads to such negative consequences as cerebral hemorrhages and edema of brain tissues.
Известен также неинвазивный способ повышения проницаемости гематоэнцефалического барьера (см. статью «Новый неинвазивный метод повышения проницаемости гематоэнцефалического барьера с помощью звука» авторов Гекалюк А.С., Уланова М.В., Бодрова А.А., Сагатова М.М., Федорова В.А.
Семячкина-Глушковская О.В. https://medconfer.com ID: 2017-03-4353-T-14953), заключающийся в воздействии на мозг звука (110 дБ, 370 Гц). Способ позволяет повысить проницаемость ГЭБ в течение 4-х часов, что подтверждается проникновением в ткани мозга некоторых высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ, а также воды.There is also known a non-invasive method for increasing the permeability of the blood-brain barrier (see article"A new non-invasive method for increasing the permeability of the blood-brain barrier using sound "authors Gekalyuk AS, Ulanova MV, Bodrova AA, Sagatova MM, Fedorova VA
Semyachkina-Glushkovskaya O.V. https://medconfer.com ID: 2017-03-4353-T-14953), brain-stimulating sound (110 dB, 370 Hz). The method allows to increase the BBB permeability within 4 hours, which is confirmed by the penetration of some high-molecular and low-molecular substances into the brain tissue, as well as water.
Однако, звук оказывает воздействие на все отделы мозга и не обеспечивает избирательного эффекта. Метод может быть применен для доставки лекарственных препаратов при общем лечении тканей мозга, когда не требуется воздействие на определенные центры, например, при болезни Альцгеймера и депрессиях. Использование данного метода для лечения многих других заболеваний мозга, таких как инсульт, онкология, аневризмы, травмы невозможно.However, sound affects all parts of the brain and does not provide a selective effect. The method can be used for the delivery of drugs in the general treatment of brain tissue, when the impact on certain centers is not required, for example, in Alzheimer's disease and depression. The use of this method for the treatment of many other brain diseases such as stroke, oncology, aneurysms, trauma is impossible.
Наиболее близким к заявляемому является неинвазивный способ повышения проницаемости гематоэнцефалического барьера у мышей» (см. патент РФ № 2688013 по кл. МПК A61N5/067, опуб.17.05.2019) путём воздействия лазерного излучения на сосуды мозга в коре больших полушарий, без вскрытия черепа, при этом воздействие осуществляют излучением с длиной волны 1268 нм с мощностью 10-300 мВ в течение 3-17 минут. The closest to the claimed one is a non-invasive method of increasing the permeability of the blood-brain barrier in mice "(see RF patent No. 2688013 according to class IPC A61N5 / 067, publ. 17.05.2019) by the action of laser radiation on the cerebral vessels in the cerebral cortex, without opening the skull , while the exposure is carried out with radiation with a wavelength of 1268 nm with a power of 10-300 mV for 3-17 minutes.
Основными недостатками этого способа является использование только одной длины волны излучения, неопределенность в определении плотности мощности излучения, необходимой для запуска биологического эффекта и доставки излучения к объекту воздействия, а также применимость метода только к малым размерам головы, соизмеримых с размерами головы мыши.The main disadvantages of this method are the use of only one radiation wavelength, the uncertainty in determining the radiation power density required to trigger the biological effect and delivery of radiation to the target, as well as the applicability of the method only to small head sizes, commensurate with the size of a mouse head.
Технической проблемой заявляемого изобретения является эффективное управление функциональным состоянием мозга, в том числе ГЭБ, животных и человека в зависимости от размеров головы и толщины отдельных ее тканей с учетом характеристик поглощения и рассеяния света этими тканями.The technical problem of the claimed invention is effective control of the functional state of the brain, including the BBB, animals and humans, depending on the size of the head and the thickness of its individual tissues, taking into account the characteristics of absorption and scattering of light by these tissues.
Техническим результатом является повышение эффективности управления функциональным состоянием мозга, в том числе ГЭБ, для обеспечения усиленной временной и обратимой проницаемости клеток мозга и сосудов для лекарственных препаратов и патологических продуктов метаболизма при лечении опухолей мозга и других социально значимых заболеваний, как инсульты, мигрени, депрессии, болезнь Альцгеймера и другие заболевания головного мозга The technical result is to increase the efficiency of control of the functional state of the brain, including the BBB, to ensure enhanced temporary and reversible permeability of brain cells and blood vessels for drugs and pathological metabolic products in the treatment of brain tumors and other socially significant diseases such as strokes, migraines, depression, Alzheimer's disease and other brain diseases
Решение технической проблемы достигается тем, что в способе лазерной биомодуляции и повышения проницаемости гематоэнцефалического барьера, включающем воздействие лазерного излучения на головной мозг, согласно изобретению, плотность мощности лазерного излучения определяют методом Монте Карло по размеру черепа, толщине кожи головы, подлежащих мягких тканей, кости черепа, твердой мозговой оболочки, церебрально-спинальной жидкости (ЦСЖ), серого и белого вещества мозга из условия обеспечения плотности мощности в области патологии мозга в интервале 5-20 мВт/см2, при этом длину волны излучения выбирают в пределах, лежащих в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн на линиях поглощения молекулярного кислорода.The solution to the technical problem is achieved by the fact that in the method of laser biomodulation and increasing the permeability of the blood-brain barrier, including the effect of laser radiation on the brain, according to the invention , the power density of the laser radiation is determined by the Monte Carlo method according to the size of the skull, the thickness of the scalp, underlying soft tissues, and skull bones , dura mater, cerebral-spinal fluid (CSF), gray and white matter of the brain from the condition of providing the power density in the area of brain pathology in the range of 5-20 mW / cm 2 , while the radiation wavelength is chosen within the limits lying in the visible and infrared wavelengths on absorption lines of molecular oxygen.
Воздействие лазерного излучения осуществляют в течение 10-20 минут, выбирают длину волны излучения 477±10 нм, или 578±10 нм, или 630±5 нм, или 762±5 нм, или 1063±5 нм, или 1268±5 нм.The exposure to laser radiation is carried out for 10-20 minutes, the radiation wavelength is selected to be 477 ± 10 nm, or 578 ± 10 nm, or 630 ± 5 nm, or 762 ± 5 nm, or 1063 ± 5 nm, or 1268 ± 5 nm.
Дополнительно во время лазерного воздействия осуществляют охлаждение поверхности головы струёй холодного воздуха.Additionally, during laser exposure, the surface of the head is cooled with a jet of cold air.
Воздействие излучения осуществляют либо на кожу головы без вскрытия черепа, либо на кость черепа путём надрезания кожи головы и подлежащих тканей до кости черепа так, чтобы один край ткани оставался соединенным с кожей головы для последующего заживления, либо через кость черепа на поверхность твердой мозговой оболочки путём просверливания отверстия в кости черепа. Exposure to radiation is carried out either on the scalp without opening the skull, or on the skull bone by incision of the scalp and underlying tissues to the skull bone so that one edge of the tissue remains connected to the scalp for subsequent healing, or through the skull bone to the surface of the dura mater by drilling a hole in the skull bone.
В случае воздействия излучения на кожу головы дополнительно осуществляют механическое надавливание на кожу головы с силой, достаточной для уменьшения толщины слоя кожи и подстилающих мягких тканей в 3-10 раз и увеличения оптического пропускания ткани 5-20 раз, но ограниченной легким болевым ощущением пациента. In case of exposure to radiation on the scalp, additional mechanical pressure is applied to the scalp with a force sufficient to reduce the thickness of the layer of skin and underlying soft tissues by 3-10 times and increase the optical transmission of the tissue by 5-20 times, but limited to the patient's slight pain.
Дополнительно на выбранную область головы воздействуют иммерсионным агентом, при этом в случае воздействия на кожу головы иммерсионный агент подогревают до физиологической температуры поверхности головы и выше, вплоть до комфортного ощущения тепла, в случае воздействия на кость черепа иммерсионный агент подогревают до физиологической температуры поверхности кости черепа, а в случае воздействия на твёрдую мозговую оболочку (ТМО) иммерсионный агент подогревают до физиологической температуры внутри черепа.Additionally, an immersion agent is applied to the selected area of the head, while in the case of exposure to the scalp, the immersion agent is heated to the physiological temperature of the head surface and higher, up to a comfortable sensation of warmth, in the case of exposure to the skull bone, the immersion agent is heated to the physiological temperature of the surface of the skull bone, and in the case of exposure to the dura mater (TMT), the immersion agent is heated to the physiological temperature inside the skull.
В качестве иммерсионного агента используют либо дегидратированный глицерин с концентрацией не ниже 90%, либо водный раствор глицерина с концентрацией 60- 90%, либо водный раствор глюкозы с концентрацией 40-60%, либо водный раствор фруктозы с концентрацией 40-80%, либо водный раствор сахарозы с концентрацией 40-70%, либо водные растворы мальтозы и маннитола с концентрациями 40-50%, либо пропиленгликоль с концентрациями 80-100%, либо полиэтиленгликоль (ПЭГ) с молекулярной массой 300-600, либо раствор, составленный из 50% глюкозы, 20% воды и 30% этанола, либо водно-спиртовые растворы глюкозы, сахарозы, фруктозы, мальтозы с концентрациями 50% при содержании спирта до 30%, либо раствор, состоящий из 60% глицерина, 30 % диметилсульфоксида и 10% воды, либо смесь глицерина и пропиленгликоля в соотношении от 9:1 до 1:9.As an immersion agent, either dehydrated glycerin with a concentration of at least 90%, or an aqueous solution of glycerin with a concentration of 60-90%, or an aqueous solution of glucose with a concentration of 40-60%, or an aqueous solution of fructose with a concentration of 40-80%, or an aqueous solution sucrose solution with a concentration of 40-70%, or aqueous solutions of maltose and mannitol with concentrations of 40-50%, or propylene glycol with concentrations of 80-100%, or polyethylene glycol (PEG) with a molecular weight of 300-600, or a solution composed of 50% glucose, 20% water and 30% ethanol, or aqueous-alcoholic solutions of glucose, sucrose, fructose, maltose with concentrations of 50% with an alcohol content of up to 30%, or a solution consisting of 60% glycerin, 30% dimethyl sulfoxide and 10% water, or a mixture of glycerin and propylene glycol in a ratio of 9: 1 to 1: 9.
Для усиления проницаемости кожи используют химические усилители проницаемости кожи, такие как этиловый спирт, диметилсульфоксид, олеиновая кислота, мочевина, гиалуроновая кислота, тиазон, и/или физические усилители проницаемости кожи, такие как сонофорез, электрофорез, лазерофорез. To enhance skin permeability, chemical skin permeability enhancers are used, such as ethyl alcohol, dimethyl sulfoxide, oleic acid, urea, hyaluronic acid, thiazone, and / or physical skin permeability enhancers such as sonophoresis, electrophoresis, lasertophoresis.
Локально или системно в мозг вводят целевым образом апконверсионные наночастицы, облучают голову излучением на длине волны 980 нм для генерации излучения на коротковолновых линиях возбуждения синглетного кислорода 477±10 нм, или 578±10 нм, или 630±5 нм непосредственно в области патологии, где локализуются апконверсионные наночастицы.Locally or systemically, upconversion nanoparticles are targeted in the brain, the head is irradiated with radiation at a wavelength of 980 nm to generate radiation on short-wavelength excitation lines of singlet oxygen 477 ± 10 nm, or 578 ± 10 nm, or 630 ± 5 nm directly in the area of pathology, where upconversion nanoparticles are localized.
Для открытых ран при просветлении кости черепа и ТМО используют местное обезболивание.For open wounds with clearing of the skull bone and dura mater, local anesthesia is used.
Устройство для реализации способа лазерной биомодуляции и повышения проницаемости гематоэнцефалического барьера содержит, по крайней мере, один источник лазерного излучения, обеспечивающий облучение на одной или нескольких длинах волн; световод (световоды, встроенные в надеваемый на голову шлем с внутренним охлаждением поверхности шлема, соприкасающейся с кожей головы); измеритель падающей мощности, программируемый блок управления источником лазерного изучения и компьютер. The device for implementing the method of laser biomodulation and increasing the permeability of the blood-brain barrier contains at least one source of laser radiation, providing irradiation at one or more wavelengths; light guide (light guides built into a helmet to be worn on the head with internal cooling of the helmet surface in contact with the scalp); an incident power meter, a programmable laser learning source control unit and a computer.
Поскольку оптическое воздействие на клетки и ткани определяется взаимодействием света с микроскопическими и макроскопическими составляющими биологической среды в результате поглощения и рассеяния света, то характеристики поглощения и рассеяния света тканями головы животных и человека определяют дозу воздействия излучения на специфические участки мозга в результате его облучения. Эти свойства являются фундаментальными для реализации таких воздействий и лежат в основе новых уникальных технологий лечения широкого спектра заболеваний мозга, в том числе основанных на обратимом нарушении биологических барьеров, методах оптогенетики и управления степенью оксигенации крови, как новых самостоятельных направлений в управлении структурами и процессами в головном мозге.Since the optical effect on cells and tissues is determined by the interaction of light with microscopic and macroscopic components of the biological environment as a result of absorption and scattering of light, the characteristics of absorption and scattering of light by tissues of the head of animals and humans determine the dose of radiation exposure to specific parts of the brain as a result of its irradiation. These properties are fundamental for the implementation of such effects and underlie new unique technologies for the treatment of a wide range of brain diseases, including those based on reversible disruption of biological barriers, methods of optogenetics and control of the degree of blood oxygenation, as new independent directions in the control of structures and processes in the brain. brain.
Для применения оптических методов управления функциями сосудов и другими функциями головного мозга необходимо знать толщины всех слоев тканей головы и их оптические свойства персонально для каждого пациента или животного, поскольку расчет доз облучения сильно зависит от значений этих параметров.To use optical methods for controlling the functions of blood vessels and other functions of the brain, it is necessary to know the thicknesses of all layers of head tissue and their optical properties for each patient or animal personally, since the calculation of radiation doses strongly depends on the values of these parameters.
В общих чертах алгоритм моделирования методом Монте Карло представлен в работе [Wang L., Jacques S.L., Zheng L. MCML - Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues // Computer Methods and Programs in Biomedicine, Vol. 47, P. 131-146, 1995]. В нашем случае число фотонных пакетов (по 10000 фотонов в каждом) определялось из постоянной плотности мощности (1 μВт/см2) на поверхности среды. Для получения других плотностей мощности на входе и на различных слоях тканей головы проводился простой пересчет с умножением значений плотности мощности на целое число. Для получения плотности мощности на поверхности головы, равной 1 мВт/см2, необходимо умножать все полученные данные на 103. Моделирование проводилось для плоского пучка.In general terms, the Monte Carlo modeling algorithm is presented in [Wang L., Jacques SL, Zheng L. MCML - Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues // Computer Methods and Programs in Biomedicine, Vol. 47, P. 131-146, 1995]. In our case, the number of photon packets (10,000 photons in each) was determined from a constant power density (1 μW / cm 2 ) on the surface of the medium. To obtain other power densities at the input and on different layers of the head tissue, a simple recalculation was carried out with the multiplication of the power density values by an integer. To obtain a power density at the surface of the head, equal to 1 mW / cm 2 , it is necessary to multiply all the obtained data by 10 3 . Simulation was carried out for a flat beam.
Изобретение поясняется иллюстрациями, где представлены:The invention is illustrated by illustrations, which show:
на фиг. 1 - схема устройства для реализации способа;in fig. 1 is a diagram of a device for implementing the method;
на фиг. 2 - структура ткани головы человека: кожа/подлежащие мягкие ткани (толщина 0,3 см, μ's = 14,4 см-1), череп (толщина 1 см, μ's = 15,0 см-1), церебральная жидкость (ЦСЖ) (толщина 0,2 см, μ's = 10-3 см-1), серое вещество (толщина 0,4 см, μ's = 24,0 см-1), а белое вещество (толщина 2 см, μ's = 78,0 см-1) (T. Myllyla, et al., Near-infrared spectroscopy in multimodal brain research, in: second ed. Chapter 10 in Handbook of Optical Biomedical Diagnostics. Light-tissue Interaction, vol. 1, SPIE Press PM262, Bellingham, WA, USA, 2016, pp. 687-735);in fig. 2 - structure of human head tissue: skin / underlying soft tissues (thickness 0.3 cm, μ ' s = 14.4 cm -1 ), skull (
на фиг. 3 - схематическое представление геометрии моделирования распространения и поглощения света в тканях головы методом Монте Карло: слева падающий пучок лазерного излучения, далее пучок рассеивается и поглощается на слоях тканей разной толщины и с различными оптическими свойствами;in fig. 3 is a schematic representation of the geometry of modeling the propagation and absorption of light in the head tissues by the Monte Carlo method: on the left is the incident laser beam, then the beam is scattered and absorbed on tissue layers of different thickness and with different optical properties;
на фиг. 4 - распределение поглощенной энергии по глубине (Ватт/см) для двух длин волн 762 (кривая, помеченная квадратики) и 1268 нм (кривая, помеченная кружками); Skin - кожа, Muscle - мышечная ткань, Skull - кость черепа, Dura mater - твердая мозговая оболочка, CSF - церебрально-спинная жидкость, Pia mater - мягкая оболочка мозга, Grey matter - серое вещество мозга, White matter - белое вещество мозга;in fig. 4 - distribution of absorbed energy in depth (W / cm) for two wavelengths 762 (curve marked with squares) and 1268 nm (curve marked with circles); Skin - skin, Muscle - muscle tissue, Skull - skull bone, Dura mater - dura mater, CSF - cerebrospinal fluid, Pia mater - pia mater, Gray matter - gray matter of the brain, White matter - white matter of the brain;
на фиг. 5 - распределение освещенности по глубине (Ватт) для двух длин волн 762 (кривая, помеченная квадратиками) и 1268 нм (кривая, помеченная кружками); Skin - кожа, Muscle - мышечная ткань, Skull - кость черепа, Dura mater - твердая мозговая оболочка, CSF - церебрально-спинная жидкость, Pia mater - мягкая оболочка мозга, Grey matter - серое вещество мозга, White matter - белое вещество мозга;in fig. 5 - distribution of illumination in depth (Watt) for two wavelengths 762 (curve marked with squares) and 1268 nm (curve marked with circles); Skin - skin, Muscle - muscle tissue, Skull - skull bone, Dura mater - dura mater, CSF - cerebrospinal fluid, Pia mater - pia mater, Gray matter - gray matter of the brain, White matter - white matter of the brain;
на фиг. 6 - спектр поглощения молекулярного кислорода высокого давления (И.В. Багров и др., Наблюдение люминесценции синглетного кислорода на λ = 1270 нм при светодиодном облучении CCl4, Оптика и спектроскопия, 113 (1), 57-62 (2012));in fig. 6 - absorption spectrum of high-pressure molecular oxygen (I.V.Bagrov et al., Observation of luminescence of singlet oxygen at λ = 1270 nm under LED irradiation with CCl 4 , Optics and Spectroscopy, 113 (1), 57-62 (2012));
на фиг.7 - образец верхней части головы мыши с удаленным волосяным покровом в чашке Петри во время измерений (1); лазерное излучение подается сверху через световод (2), а измеритель мощности излучения (3) находится снизу со стороны открытого, но цельного мозга;Fig. 7 is a sample of the upper part of the head of a hair-removed mouse in a Petri dish during measurements (1); laser radiation is supplied from above through the light guide (2), and the radiation power meter (3) is located below from the side of the open, but solid brain;
на фиг. 8 - изображение лазерного пучка при его прохождении через всю голову лабораторной мыши на открытой с обратной стороны поверхности мозга, полученное с помощью ИК визуализатора, сопряженного с КМОП-камерой (а); соответствующее 3D-распределение света на обратной поверхности мозга (б); и соответствующее 2D-распределение света по выбранной оператором линии, обозначенной на изображении (а), (в); in fig. 8 - image of a laser beam as it passes through the entire head of a laboratory mouse on the brain surface open from the back side, obtained using an IR visualizer coupled to a CMOS camera (a); corresponding 3D distribution of light on the back surface of the brain (b); and the corresponding 2D-distribution of light along the line selected by the operator, indicated in the image (a), (b);
на фиг. 9 - микроскопические изображения лазерного пучка с длиной волны 780 нм, прошедшего разные ткани головы крысы: скальп, толщиной 0.9 мм, (а), костную ткань черепа, толщиной 0.96 мм (б), и ткани цельного мозга толщиной 6.2 мм (в).in fig. 9 - microscopic images of a laser beam with a wavelength of 780 nm, passed through different tissues of the rat head: scalp, 0.9 mm thick, (a), skull bone tissue, 0.96 mm thick (b), and whole brain tissue 6.2 mm thick (c).
на фиг. 10 - схематическое представление лазерного облучения мозга с помощью нескольких световодов и охлаждением поверхности головы.in fig. 10 is a schematic representation of laser irradiation of the brain using multiple light guides and cooling the head surface.
на фиг. 11 - технология иммерсионного оптического просветления тканей головы человека для эффективной доставки лазерного излучения в отделы головного мозга: (а) три этапа технологии: оптическое просветление ткани, доставка излучения в отделы головного мозга и обратное восстановление оптических свойств ткани; (б), (г), (е), (з), (к) анатомическое строение черепа человека; (в) схема оптического просветления кожи: дистальный конец волоконного световода помещают над поверхностью кожи черепа и заполняют пространство между торцом световода и кожей иммерсионным агентом; (д) схема компрессионного оптического просветления кожи: дистальный конец волоконного световода помещают над поверхностью кожи и перемещают его до плотного контакта с кожей и далее до сжатия мягких тканей вплоть до легкого болевого ощущения пациента; (ж) схема компрессионного и иммерсионного оптического просветления кожи: дистальный конец волоконного световода помещают над поверхностью кожи, заполняют пространство между торцом световода и кожей иммерсионным агентом и через 10-30 мин перемещают торец световода до плотного контакта с кожей и далее до сжатия мягких тканей вплоть до легкого болевого ощущения пациента; схема оптического просветления кости черепа: дистальный конец волоконного световода помещают над поверхностью кости черепа и заполняют пространство между торцом световода и костью иммерсионным агентом; (л) схема оптического просветления ТМО: дистальный конец волоконного световода помещают над поверхностью ТМО и заполняют пространство между торцом световода и ТМО иммерсионным агентом.in fig. 11 - technology of immersion optical clarification of human head tissues for effective delivery of laser radiation to the brain regions: (a) three stages of technology: optical tissue clarification, delivery of radiation to the brain regions and reverse restoration of the optical properties of the tissue; (b), (d), (f), (h), (j) anatomical structure of the human skull; (c) scheme of optical skin clearing: the distal end of the fiber light guide is placed over the surface of the scalp skin and the space between the fiber end face and the skin is filled with an immersion agent; (e) a scheme of compression optical skin clearing: the distal end of the optical fiber is placed above the skin surface and moved until it is in close contact with the skin and then until soft tissues are compressed until the patient feels slightly painful; (g) scheme of compression and immersion optical clearing of the skin: the distal end of the fiber light guide is placed above the skin surface, the space between the fiber end face and the skin is filled with an immersion agent, and after 10-30 min, the fiber end face is moved to close contact with the skin and then until soft tissues are compressed up to to light painful sensation of the patient; the scheme of optical clarification of the skull bone: the distal end of the fiber light guide is placed above the surface of the skull bone and the space between the end of the light guide and the bone is filled with an immersion agent; (l) Scheme of optical clearing of the TMO: the distal end of the fiber light guide is placed above the surface of the TMO and the space between the end of the fiber and the TMO is filled with an immersion agent.
На иллюстрациях позициями обозначено:In the illustrations, the positions indicate:
1 - компьютер,1 - computer,
2 - тепловизор, 2 - thermal imager,
3 - лазер, 3 - laser,
4 - источник питания и регулировка мощности лазера, 4 - power supply and laser power adjustment,
5 - камера с ИК визуализатором, 5 - camera with IR visualizer,
6 - приемник измерителя мощности, 6 - power meter receiver,
7 - измеритель мощности 1, 7 -
8 - образец;8 - sample;
9 - череп (костная кора), 9 - skull (bony cortex),
10 - череп (костный мозг), 10 - skull (bone marrow),
11 - твердая мозговая оболочка, 11 - dura mater,
12- кожа, 12- leather,
13 - череп, 13 - skull,
14 - церебральная жидкость, 14 - cerebral fluid,
15 - серое вещество, 15 - gray matter,
16 - белое вещество, 16 - white matter,
17 - мышечная ткань,17 - muscle tissue,
18 - образец верхней части головы мыши,18 - sample of the upper part of the mouse head,
19 - лазерное излучение, 19 - laser radiation,
20 - измеритель мощности 2,20 -
21- световод 1,21-
22 - световод 2,22 -
23 - охлаждающий шлем с встроенными световодами,23 - cooling helmet with built-in light guides,
24 - этап 1- оптическое просветление ткани, 24 - stage 1 - optical clearing of tissue,
25 - этап 2 - доставка излучения в отделы головного мозга,25 - stage 2 - delivery of radiation to the parts of the brain,
26 - этап 3 - обратное восстановление оптических свойств ткани, 26 - stage 3 - reverse restoration of the optical properties of the tissue,
27 - скальп (кожа и подстилающие мягкие ткани); 27 - scalp (skin and underlying soft tissues);
28 - компактная кость; 28 - compact bone;
29 - губчатая кость, 29 - spongy bone,
30 - твердая мозговая оболочка (ТМО), 30 - dura mater (TMO),
31 - кора головного мозга, 31 - cerebral cortex,
32 - дистальный конец волоконного световода, 32 - distal end of the fiber light guide,
33 - иммерсионным агент, 33 - immersion agent,
34 - отверстие (разрез) в скальпе, 34 - hole (cut) in the scalp,
35 - просверленное отверстие в кости черепа. 35 - drilled hole in the skull bone.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
Проводят МРТ головы животного или человека для определения локализации патологии, в этой области по МРТ томограмме определяют общий размер черепа, а также толщину кожи головы, подлежащих мягких тканей, кости черепа, твердой мозговой оболочки, церебрально-спинальной жидкости (ЦСЖ), Pia mater, серого и белого вещества мозга в сантиметрах. Типичная МРТ томограмма головы человека, где указаны толщины тканей и соответствующие оптические свойства (приведенный коэффициент рассеяния μꞌs), представлена на Фиг. 2.An MRI of the head of an animal or a person is performed to determine the localization of the pathology, in this area the total size of the skull, as well as the thickness of the scalp, underlying soft tissues, skull bone, dura mater, cerebral spinal fluid (CSF), Pia mater, gray and white matter of the brain in centimeters. A typical MRI tomogram of the human head, showing tissue thicknesses and corresponding optical properties (reduced scattering coefficient μꞌ s ), is shown in Fig. 2.
Далее на основании МРТ данных методом Монте Карло (см. Фиг. 3) рассчитывают падающую на поверхность кожи головы плотность мощности излучения из условия обеспечения плотности мощности в области патологии мозга в интервале 5 - 20 мВт/см2 (Фиг. 4 и Фиг. 5), при этом длину волны излучения выбирают в пределах, лежащих в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн на линиях поглощения молекулярного кислорода 477±10 нм, 578±10 нм, 630±10 нм, 762±10 нм, 1063±10 нм, или 1268±10 нм (Фиг. 6).Further, based on the MRI data by the Monte Carlo method (see Fig. 3), the radiation power density incident on the scalp surface is calculated from the condition of ensuring the power density in the area of brain pathology in the range of 5 - 20 mW / cm 2 (Fig. 4 and Fig. 5 ), while the radiation wavelength is selected within the limits lying in the visible and infrared ranges of wavelengths on the absorption lines of molecular oxygen 477 ± 10 nm, 578 ± 10 nm, 630 ± 10 nm, 762 ± 10 nm, 1063 ± 10 nm, or 1268 ± 10 nm (Fig. 6).
Далее рассчитывают необходимую дозу облучения (плотность мощности излучения на определенной глубине внутри мозга и время облучения) для проведения процедуры биомодуляции, включая открытие ГЭБ, для обеспечения доставки лекарственных препаратов в головной мозг путем системного введения препаратов с помощью внутрисосудистой инъекции, а патологических метаболитов из тканей мозга. Next, the required radiation dose (the radiation power density at a certain depth inside the brain and the irradiation time) is calculated for the biomodulation procedure, including the opening of the BBB, to ensure the delivery of drugs to the brain by systemic administration of drugs using intravascular injection, and pathological metabolites from brain tissue ...
Для более эффективной доставки излучения к отделам головного мозга и снижения плотности мощности используют следующие действия.For a more efficient delivery of radiation to the parts of the brain and a decrease in the power density, the following actions are used.
1) Во время лазерного облучения охлаждают поверхность головы с помощью струи холодного воздуха, охлаждающих спреев или накладок на голову (шапочка или шлем), совмещающих световод для доставки лазерного излучения и систему охлаждения поверхности головы с помощью циркулирующей охлаждающей жидкости. 1) During laser irradiation, the surface of the head is cooled using a jet of cold air, cooling sprays or head pads (cap or helmet) that combine the light guide for delivering laser radiation and the system for cooling the head surface using circulating coolant.
2) Вводят излучение с помощью нескольких световодов, от 2 и более, для снижения локальной плотности мощности на коже в области входа излучения и сложения этих диффузных световых потоков уже внутри соответствующих отделов головного мозга.2) Radiation is introduced with the help of several light guides, from 2 or more, to reduce the local power density on the skin in the area of the radiation entrance and add these diffuse light fluxes already inside the corresponding parts of the brain.
3) Проводят оптическое просветление кожи головы с помощью иммерсионных просветляющих агентов и/или компрессии кожи специальными массажными приспособлениями, прозрачными для света и одновременно выполняющими роль световодов.3) Optical clarification of the scalp is carried out using immersion clarifying agents and / or skin compression with special massage devices, transparent to light and at the same time acting as light guides.
4) В ряде сложных случаев используют надрезы кожи головы и подстилающих кожу мягких тканей для прямого контакта торца световода с костью черепа и иммерсионное оптическое просветление кости черепа. 4) In a number of difficult cases, incisions of the scalp and the soft tissues underlying the skin are used for direct contact of the fiber end face with the skull bone and immersion optical clarification of the skull bone.
5) В тяжелых случаях для экстренной помощи дополнительно к надрезам кожи сверлят всю толщу кости черепа вплоть до твердой мозговой оболочки (ТМО) и подводят торец световода непосредственно к поверхности ТМО и используют иммерсионное оптическое просветление ТМО.5) In severe cases, for emergency assistance, in addition to skin incisions, the entire thickness of the skull bone is drilled down to the dura mater (Dura mater) and the end of the fiber is brought directly to the Dura surface and immersion optical enlightenment of the Dura is used.
6) В некоторых случаях используют локальное или системное введение апконверсионных наночастиц, которые при возбуждении на длинах волн ближнего ИК диапазона излучают в области 578 нм.6) In some cases, local or systemic administration of up-conversion nanoparticles is used, which, when excited at wavelengths of the near-IR range, emit in the region of 578 nm.
После того, как получены индивидуальные данные по размерам слоев тканей из МРТ исследования, определены длины волн для облучения и конфигурация режима облучения (охлаждение поверхности головы, использование нескольких световодов, оптическое просветление кожи, надрезы кожи головы и подстилающих кожу мягких тканей, оптическое просветление кости черепа, просверливание кости черепа, оптическое просветление ТМО, использование апконверсионных наночастиц) в зависимости от избранной стратегии лечения проводят индивидуальное моделирование прохождения света через актуальные ткани головы (с учетом изменения параметров биотканей при нагревании, охлаждении и иммерсионном оптическом просветлении) для расчета необходимой дозы облучения (плотности мощности излучения на определенной глубине внутри мозга и времени облучения). After obtaining individual data on the size of tissue layers from an MRI study, the wavelengths for irradiation and the configuration of the irradiation mode were determined (cooling the surface of the head, using several optical fibers, optical clarification of the skin, incisions of the scalp and soft tissues underlying the skin, optical clarification of the skull bone , drilling of the skull bone, optical clearing of the dura mater, the use of upconversion nanoparticles), depending on the chosen treatment strategy, an individual simulation of the transmission of light through the actual tissues of the head is carried out (taking into account changes in the parameters of biological tissues during heating, cooling and immersion optical clearing) to calculate the required radiation dose (density radiation power at a certain depth inside the brain and exposure time).
Пример для моделирования методом Монте КарлоExample for Monte Carlo Simulation
Согласно исследованиям Красновского и др. [A. A. Krasnovsky, Jr., A.S. Kozlov, “Photonics of dissolved oxygen molecules. Comparison of the rates of direct and photosensitized excitation of oxygen and reevaluation of the oxygen absorption coefficients,” J. Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry 329, 167-174 (2016); A. A. Krasnovsky, Jr., A.S. Kozlov, Laser photochemistry of oxygen. Application to studies of the absorption spectra of dissolved oxygen molecules, J. Biomed. Photonics & Eng. 3(1), 010302-1-10 (2017)] двумя наиболее перспективными длинами волн для прямой генерации синглетного кислорода являются длины волн 1268 нм и 762 нм. В связи с этим в качестве примера были произведены расчеты именно для этих длин волн. В Таблицу 1 сведены данные по толщинам и оптическим свойствам тканей головы мыши, полученные на основании представленных ниже данных наших измерений и данных из литературы.According to the studies of Krasnovsky et al. [AA Krasnovsky, Jr., AS Kozlov, “Photonics of dissolved oxygen molecules. Comparison of the rates of direct and photosensitized excitation of oxygen and reevaluation of the oxygen absorption coefficients, ”J. Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry 329 , 167-174 (2016); AA Krasnovsky, Jr., AS Kozlov, Laser photochemistry of oxygen. Application to studies of the absorption spectra of dissolved oxygen molecules, J. Biomed. Photonics & Eng. 3 (1), 010302-1-10 (2017)] the two most promising wavelengths for direct generation of singlet oxygen are 1268 nm and 762 nm. In this regard, as an example, calculations were made for these wavelengths. Table 1 summarizes the data on the thickness and optical properties of the tissues of the mouse head, obtained on the basis of the data of our measurements and data from the literature presented below.
Таблица 1. Оптические параметры для моделирования методом Монте Карло (МК) распределения света внутри тканей мозга экспериментального животного - мыши. ТМО - твердая мозговая оболочка (dura mater), ЦСЖ - церебрально-спинальная жидкость, включающая паутинную мозговую оболочку, ММО - мягкая мозговая оболочка (pia mater).Table 1. Optical parameters for Monte Carlo (MC) simulation of light distribution inside the brain tissues of an experimental animal - a mouse. Dura mater - dura mater , CSF - cerebrospinal fluid, including the arachnoid meninges, MMO - pia mater .
Схематически модель головы представлена на Фиг.3. Слева падающий пучок лазерного излучения (красная стрелка), далее пучок рассеивается и поглощается на слоях тканей разной толщины и с различными оптическими свойствами, данные для которых представлены в Таблице 1 для головы мыши.The head model is shown schematically in Fig. 3. On the left is the incident laser beam (red arrow), then the beam is scattered and absorbed on tissue layers of different thicknesses and with different optical properties, the data for which are presented in Table 1 for the mouse head.
Таблица 2. Результаты МК-моделирования для отражения и пропускания для цельной головы мыши с параметрами из Табл.1, рассчитанные для трех диаметров лазерного пучка.Table 2. Results of MC simulation for reflection and transmission for the whole mouse head with the parameters from Table 1, calculated for three diameters of the laser beam.
Таблица 3. Результаты МК-моделирования доли поглощенных фотонов для цельной головы мыши с параметрами из Табл.1.Table 3. Results of MC simulation of the fraction of absorbed photons for a whole mouse head with parameters from Table 1.
Результаты расчетов методом Монте Карло представлены на Фиг. 4 и Фиг. 5, они в целом хорошо соответствуют данным экспериментальных исследований по проникновению лазерного излучения с длиной волны 1268 нм через ткани головы экспериментальных животных, а именно мышей. Серия экспериментов проводилась на тканях головы белых мышей in vitro. В качестве образцов служили верхние части голов мышей, включающих в себя кожу, череп, мозг, которые не были отделены друг от друга (Фиг. 7). Образец головы мыши помещался между лазером и измерителем мощности излучения. Проводились измерения мощности падающего и прошедшего через образцы лазерного излучения с контролем температуры поверхности кожи образцов с помощью тепловизора (Фиг 1). Лазер включали каждый раз приблизительно на 10-15 с. Расстояние от источника излучения до приемника составляло 2.5 см. На основе предварительных экспериментальных данных была выбрана мощность падающего светового пучка, равная 590 мВт, которая не приводила к перегреву кожи при кратковременном освещении. Погрешность измерений составляла 0.1 мВт.The results of calculations by the Monte Carlo method are presented in Fig. 4 and FIG. 5, they generally agree well with the data of experimental studies on the penetration of laser radiation with a wavelength of 1268 nm through the tissues of the head of experimental animals, namely mice. A series of experiments was carried out in vitro on the head tissues of white mice. The upper parts of the heads of mice, including the skin, skull, brain, which were not separated from each other, served as samples (Fig. 7). A sample of the mouse head was placed between the laser and the radiation power meter. The power of the incident and transmitted through the samples of laser radiation was measured with the control of the temperature of the skin surface of the samples using a thermal imager (Fig. 1). The laser was switched on each time for about 10-15 seconds. The distance from the radiation source to the receiver was 2.5 cm. Based on preliminary experimental data, the power of the incident light beam was chosen equal to 590 mW, which did not lead to overheating of the skin under short-term illumination. The measurement error was 0.1 mW.
Таблица 4. Значения размера образца вдоль пучка света, температуры кожи и мощности прошедшего через ткани головы излучения, измеренной в пределах апертуры измерителя мощности на длине волны 1268 нм, при входящей мощности 590 мВт или 4.7 Вт/см2 для диаметра падающего пучка 4 мм.Table 4. Values of the sample size along the light beam, skin temperature and the power of radiation transmitted through the head tissues, measured within the aperture of the power meter at a wavelength of 1268 nm, with an input power of 590 mW or 4.7 W / cm 2 for an incident beam diameter of 4 mm.
Для исследуемых мышей при диаметре пучка на выходе из мозга, равном 10 мм, оказалось возможным создать плотность мощности соответственно 15.3 мВт/см2 и 14.0 мВт/см2 для образцов 1 и 2, соответственно.For the studied mice with a beam diameter at the exit from the brain equal to 10 mm, it turned out to be possible to create a power density of 15.3 mW / cm 2 and 14.0 mW / cm 2 for
С целью оптимизации процесса облучения головного мозга и обеспечения малого нагрева тканей головы в течение 3 мин, которое является типичным временем облучения, снижали интенсивность падающего излучения до 70 мВт. Образец головы мыши помещался между лазером и измерителем мощности излучения, как и ранее (Фиг.1). Проводились измерения мощности прошедшего лазерного излучения через образцы с контролем температуры поверхности кожи образцов в течение 3 минут работы лазера. Расстояние от источника излучения до приемника составляло 2.5 см. Диаметр падающего светового пучка был равен 4 мм, а прошедшего светового пучка через весь образец, включая цельный мозг, составил 10±1 мм.In order to optimize the process of irradiation of the brain and ensure low heating of the head tissues for 3 min, which is a typical irradiation time, the intensity of the incident radiation was reduced to 70 mW. A sample of the mouse head was placed between the laser and the radiation power meter, as before (Figure 1). The power of the transmitted laser radiation through the samples was measured with control of the temperature of the skin surface of the samples during 3 minutes of laser operation. The distance from the radiation source to the receiver was 2.5 cm. The diameter of the incident light beam was 4 mm, and the diameter of the light beam transmitted through the entire sample, including the whole brain, was 10 ± 1 mm.
На Фиг. 8 представлено изображение лазерного пучка с обратной стороны образца при его прохождении через весь образец, полученное с помощью ИК визуализатора, сопряженного с КМОП-камерой, а в Табл. 5 сведены экспериментальные данные, полученные для двух образцов. FIG. 8 shows an image of a laser beam from the back side of the sample as it passes through the entire sample, obtained using an IR visualizer coupled to a CMOS camera, and Table. 5 summarizes the experimental data obtained for two samples.
Таблица 5. Значения размера образца вдоль пучка света, температуры кожи и мощности прошедшего через ткани головы излучения, измеренной в пределах апертуры измерителя мощности на длине волны 1268 нм, при входящей мощности 70 мВт, диаметре пучка 4 мм и плотности мощности 557 мВт/см2.Table 5. Values of the sample size along the light beam, skin temperature and the power of radiation transmitted through the head tissue, measured within the aperture of the power meter at a wavelength of 1268 nm, with an input power of 70 mW, a beam diameter of 4 mm and a power density of 557 mW / cm 2 ...
При облучении лазерным излучением на длине волны 1268 нм головы более крупных лабораторных животных, а именно белых крыс, требования к поддержанию температурного режима возрастают, так как из-за больших размеров всех слоев тканей головы требуется на кожу подавать излучение большей интенсивности для обеспечения необходимой облученности отделов мозга животного. Для крыс среднего возраста типичные параметры тканей головы такие: толщина кожи и мышечной ткани под ней вместе составляют 0.6 мм, черепа - 0.85 мм, а мозга - 7.8±0.4 мм.When the heads of larger laboratory animals, namely white rats, are irradiated with laser radiation at a wavelength of 1268 nm, the requirements for maintaining the temperature regime increase, since due to the large size of all layers of the head tissue, it is required to apply higher intensity radiation to the skin to ensure the necessary irradiation of the departments animal brain. For middle-aged rats, the typical parameters of the head tissues are as follows: the thickness of the skin and muscle tissue under it together is 0.6 mm, the thickness of the skull is 0.85 mm, and the thickness of the brain is 7.8 ± 0.4 mm.
Таблица 6. Значения падающей мощности лазерного излучения на длине волны 1268 нм Р пад (мВт) и после прохождения излучения через образцы тканей (скальп - кожа вместе с подлежащей мышечной тканью, череп и мозг) и температуры Т (°С) на поверхности биологических тканей (кожа, череп, мозг) при кратковременном (10 с) облучении тканей головы белой лабораторной крысы.Table 6. Values of the incident power of laser radiation at a wavelength of 1268 nm P pad (mW) and after the passage of radiation through tissue samples (scalp - skin together with the underlying muscle tissue, skull and brain) and temperature T (° С) on the surface of biological tissues (skin, skull, brain) with short-term (10 s) irradiation of head tissues of a white laboratory rat.
Исходя из полученных экспериментальных данных можно заключить, что при кратковременном облучении кожи головы крысы лазерным излучением мощность от 70 до 190 мВт можно обеспечить довольно высокую плотность мощности на фронтальной поверхности мозга практически не нагревая его. Однако для обеспечения аналогичных уровней мощности на задней по отношению к падающему пучку областей мозга, мощность излучения необходимо существенно повышать до 300-500 мВт, что для сравнительно узких пучков (диаметр 4 мм) влечет за собой высокую плотность мощности и сильный нагрев ткани. Отметим, что эти измерения были проведены для раздельных тканей и высокая плотность мощности непосредственно создавалась на поверхности исследуемой ткани. Отметим также, что кожа ослабляет излучение в 2.5 - 4 раза, ослабление меньше для более высоких мощностей, т.е. более высокого нагрева ткани. Череп примерно также ослабляет излучение 3-5 раз и имеет место аналогичная зависимость от мощности падающего излучения.Based on the experimental data obtained, it can be concluded that with short-term irradiation of the rat's scalp with laser radiation with a power of 70 to 190 mW, it is possible to provide a fairly high power density on the frontal surface of the brain practically without heating it. However, in order to ensure similar power levels in the areas of the brain posterior to the incident beam, the radiation power must be significantly increased to 300-500 mW, which for relatively narrow beams (4 mm in diameter) entails a high power density and strong tissue heating. Note that these measurements were made for separate tissues and the high power density was directly generated on the surface of the tissue under study. Note also that the skin attenuates the radiation by a factor of 2.5 - 4, the attenuation is less for higher powers, i.e. higher heating of the fabric. The skull approximately also attenuates the radiation 3-5 times and there is a similar dependence on the power of the incident radiation.
Сравнение двух видов лабораторных животных наглядно показывает, что для расчета необходимой дозы облучения на длине волны 1268 нм и учета возможных температурных эффектов необходимо иметь надежные предварительные индивидуальные данные по размерам головы и толщины отдельных слоев из МРТ-исследования (Фиг. 2).Comparison of two types of laboratory animals clearly shows that in order to calculate the required radiation dose at a wavelength of 1268 nm and take into account possible temperature effects, it is necessary to have reliable preliminary individual data on the size of the head and the thickness of individual layers from an MRI study (Fig. 2).
Для излучения на длине волны 762 нм ожидается, что тепловые эффекты не будут такими сильными, а оптическое пропускание будет немного лучше. Эти факты были подтверждены не только при численном моделировании методом МК (см. Фиг. 4 и Фиг. 5), но также экспериментально для исследованиях на белых лабораторных крысах (см. Табл. 7). Экспериментальные исследования были проведены для лазера с близкой длиной волны (780 нм), что не снижает достоверность исследований в силу монотонных зависимостей оптических свойств биотканей от длины волны в пределах 10-20 нм.For radiation at 762 nm, thermal effects are expected to be less severe, and optical transmission is expected to be slightly better. These facts were confirmed not only by numerical modeling by the MC method (see Fig. 4 and Fig. 5), but also experimentally for studies on white laboratory rats (see Table 7). Experimental studies were carried out for a laser with a close wavelength (780 nm), which does not reduce the reliability of studies due to monotonic dependences of the optical properties of biological tissues on the wavelength within 10-20 nm.
Таблица 7. Значения падающей мощности лазерного излучения на длине волны 780 нм и после прохождения излучения через образцы тканей (скальп - кожа вместе с подлежащей мышечной тканью, череп и мозг) при облучении тканей головы двух белых лабораторных крыс.Table 7. The values of the incident power of laser radiation at a wavelength of 780 nm and after the passage of radiation through tissue samples (scalp - skin together with the underlying muscle tissue, skull and brain) during irradiation of the head tissues of two white laboratory rats.
Микроскопические изображения распределения лазерного излучения с длиной волны 780 нм после прохождения через ткани головы крысы, полученные с помощью КМОП камеры Thorlabs (1280х1024) с объективом 3х увеличением (Фиг. 9), дают представление о рассеивающих свойствах отдельных тканей головы.Microscopic images of the distribution of laser radiation with a wavelength of 780 nm after passing through the tissues of the head of a rat, obtained using a CMOS camera Thorlabs (1280x1024) with a lens of 3x magnification (Fig. 9), give an idea of the scattering properties of individual head tissues.
Примеры оптимизации доставки излучения к отделам головного мозга и снижения плотности мощности.Examples of optimizing the delivery of radiation to the brain regions and reducing the power density.
1. Охлаждение поверхности головы1. Cooling the surface of the head
Теоретические и экспериментальные методы охлаждения кожи при разнообразных лазерных воздействиях через кожу, например, при удалении волос или жировых отложений, хорошо разработаны и широко применяются в лазерной косметологии [G.B. Altshuler and V.V. Tuchin, Physics behind the light-based technology: Skin and hair follicle interactions with light in Cosmetic Applications of Laser & Light-Based Systems, ed. Gurpreet Ahluwalia, William Andrew, Inc., Norwich, NY, USA, 2009. P.49-109; A. Das, et al., Cooling Devices in Laser therapy, J Cutan Aesthet Surg 2016 Oct-Dec; 9(4): 215-219; doi: 10.4103/0974-2077.197028], однако до настоящего времени не было предложений по использованию охлаждения при лазерном облучении мозга животных и человека.Theoretical and experimental methods of skin cooling under various laser treatments through the skin, for example, when removing hair or fat deposits, are well developed and widely used in laser cosmetology [G.B. Altshuler and V.V. Tuchin, Physics behind the light-based technology: Skin and hair follicle interactions with light inCosmetic Applications of Laser & Light-Based Systems,ed. Gurpreet Ahluwalia, William Andrew, Inc., Norwich, NY, USA, 2009. P. 49-109; A. Das, et al., Cooling Devices in Laser therapy, J Cutan Aesthet Surg 2016 Oct-Dec; 9 (4): 215-219; doi: 10.4103 / 0974-2077.197028], but so far there have been no proposals on the use of cooling for laser irradiation of the brain of animals and humans.
Поверхность головы можно охлаждать с помощью струи холодного воздуха или охлаждающих спреев, как это принято в лазерной терапии кожных патологий. Однако для надежного управления охлаждением, что важно при облучении мозга, предлагается использовать накладку на голову в виде шлема, в теле которого закреплен световод (несколько световодов) для доставки лазерного излучения к поверхности кожи, и который содержит систему охлаждения поверхности головы, изготовленной в виде полости или системы микротрубочек, встроенных в шлем, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (Фиг. 10).The scalp can be cooled with a jet of cold air or cooling sprays, as is customary in laser therapy for skin pathologies. However, for reliable control of cooling, which is important for irradiation of the brain, it is proposed to use a head pad in the form of a helmet, in the body of which a light guide (several light guides) is fixed to deliver laser radiation to the skin surface, and which contains a cooling system for the head surface made in the form of a cavity or a system of microtubules embedded in the helmet through which coolant circulates (FIG. 10).
2. Облучение головы с помощью нескольких световодов2. Irradiation of the head with multiple light guides
В соответствии с приведенным выше математическим моделированием методом Монте Карло и экспериментальными исследованиями распределения света в тканях мозга и сопутствующего нагрева тканей головы представляется рациональным вводить излучение с помощью нескольких световодов, от 2 и более, для обеспечения снижения локальной плотности мощности на коже в области введения излучения и сложения этих диффузных световых потоков уже внутри соответствующих отделов головного мозга. На Фиг. 10 представлено схематическое представление облучения тканей мозга несколькими световодами.In accordance with the above mathematical modeling by the Monte Carlo method and experimental studies of the distribution of light in the brain tissues and the concomitant heating of the head tissues, it seems rational to inject radiation using several optical fibers, from 2 or more, to ensure a decrease in the local power density on the skin in the area of radiation injection and addition of these diffuse light fluxes already inside the corresponding parts of the brain. FIG. 10 is a schematic representation of the irradiation of brain tissue with multiple light guides.
3. Иммерсионное оптическое просветление кожи головы с помощью иммерсионных просветляющих агентов (ОПА)3. Immersion optical clarification of the scalp using immersion clarifying agents (OPA)
Для снижения потерь света на коже и соответственно ее нагрева (см., Фиг. 4 и Фиг. 5) предлагается использовать иммерсионное просветление кожи (V.V. Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2006; A.Yu. Sdobnov, et al., Recent progress in tissue optical clearing for spectroscopic application, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 197, 216-229 (2018); A.N. Bashkatov, et al., Measurement of tissue optical properties in the context of tissue optical clearing, J. Biomed. Opt. 23(9), 091416 (2018)), которое заключается в нанесении оптимального иммерсионного агента на кожу головы на некоторое время, типично 10-30 мин (Фиг.11 а, б, в), и использование при необходимости химических или физических усилителей проницаемости. В качестве иммерсионного агента могут быть использованы: дегидратированный глицерин с концентрацией не ниже 90%, либо водный раствор глицерина с концентрацией 60-90%, либо водный раствор глюкозы с концентрацией 40-60%, либо водный раствор фруктозы с концентрацией 40-80%, либо водный раствор сахарозы с концентрацией 40-70%, либо водные растворы мальтозы и маннитола с концентрациями 40-50%, либо пропиленгликоль с концентрациями 80-100%, либо полиэтиленгликоль (ПЭГ) с молекулярной массой 300-600, либо.To reduce the loss of light on the skin and, accordingly, its heating (see, Fig. 4 and Fig. 5), it is proposed to use immersion clearing of the skin (VV Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood , PM 154 , SPIE Press, Bellingham, WA, 2006; A.Yu. Sdobnov, et al., Recent progress in tissue optical clearing for spectroscopic application, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 197, 216-229 (2018); AN Bashkatov, et al., Measurement of tissue optical properties in the context of tissue optical clearing, J. Biomed. Opt. 23 (9), 091416 (2018)), which consists in applying an optimal immersion agent to the scalp for a while, typically 10-30 minutes (Fig. 11 a, b, c), and the use, if necessary, of chemical or physical permeation enhancers. The following can be used as an immersion agent: dehydrated glycerin with a concentration of at least 90%, or an aqueous solution of glycerol with a concentration of 60-90%, or an aqueous solution of glucose with a concentration of 40-60%, or an aqueous solution of fructose with a concentration of 40-80%, either an aqueous solution of sucrose with a concentration of 40-70%, or aqueous solutions of maltose and mannitol with concentrations of 40-50%, or propylene glycol with concentrations of 80-100%, or polyethylene glycol (PEG) with a molecular weight of 300-600, or.
Для усиления проницаемости кожи могут быть использованы химические усилители проницаемости кожи, такие как этиловый спирт, диметилсульфоксид, олеиновая кислота, мочевина, гиалуроновая кислота, тиазон.To enhance skin permeability, chemical skin permeability enhancers such as ethyl alcohol, dimethyl sulfoxide, oleic acid, urea, hyaluronic acid, thiazone can be used.
В качестве иммерсионного агента могут быть использованы смеси растворов, в частности - раствор, содержащий глицерин и пропиленгликоль в соотношении от 9:1 до 1:9, либо 50% глюкозы, 20% воды и 30% этанола, либо водно-спиртовые растворы глюкозы, сахарозы, фруктозы, мальтозы с концентрациями 50% при содержании спирта до 30%.As an immersion agent, mixtures of solutions can be used, in particular, a solution containing glycerin and propylene glycol in a ratio of 9: 1 to 1: 9, or 50% glucose, 20% water and 30% ethanol, or aqueous-alcoholic solutions of glucose, sucrose, fructose, maltose with concentrations of 50% with an alcohol content of up to 30%.
Для усиления проницаемости кожи в качестве иммерсионного агента может быть использован раствор, состоящий из 60% глицерина, 30 % диметилсульфоксида и 10% воды.To enhance the permeability of the skin, a solution consisting of 60% glycerin, 30% dimethyl sulfoxide and 10% water can be used as an immersion agent.
Для усиления проницаемости кожи могут быть использованы физические усилители проницаемости кожи, такие как сонофорез, электрофорез, лазерофорез.Physical skin permeability enhancers such as sonophoresis, electrophoresis, lasertophoresis can be used to enhance skin permeability.
Компрессионное оптическое просветление кожи головы и подстилающей мышечной ткани также позволяет пропустить больше света в ткани мозга. Оно основано на нескольких явлениях, которые способствуют существенно более высокому пропусканию света этими тканями, а именно вытеснение крови, уменьшение толщины ткани и вытеснение воды из области надавливания (V.V. Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2006; Genina E.A., et al., Optical clearing of biological tissues: prospects of application in medical diagnostics and phototherapy, Journal of Biomedical Photonics & Engineering 1(1), 22-58 (2015)). В случае тканей головы компрессию кожи можно осуществить с помощью специальных массажных приспособлений или щеток, которые могут быть совмещены с облучающими световодами, или быть прозрачными для света и одновременно выполнять роль массажера и световода. При использовании таких световедущих щеток, обеспечивается плотный оптический контакт с кожей, поэтому можно также свести к минимуму влияние волос и волосяных фолликулов на эффективность прохождения света внутрь головы [B. Khan et al., “Improving optical contact for functional near-infrared brain spectroscopy and imaging with brush optodes,” Biomed. Opt. Exp. 3 (5), 878-898 (2012); X. Fang et al., Effect of Scalp Hair Follicles on NIRS Quantification by Monte Carlo Simulation and Visible Chinese Human Dataset, IEEE Photonics Journal 10 (5), 3901110 (2018)]. Наиболее простым способом обеспечения компрессии для проведения света является механическое надавливание торца световода на поверхность кожи головы до легкого болевого ощущения пациента (Фиг. 11 г, д).Compression optical illumination of the scalp and underlying muscle tissue also allows more light to pass through the brain tissue. It is based on several phenomena that contribute to the significantly higher light transmission of these tissues, namely the displacement of blood, a decrease in tissue thickness and the displacement of water from the pressure area (VV Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA , 2006; Genina EA, et al., Optical clearing of biological tissues: prospects of application in medical diagnostics and phototherapy, Journal of Biomedical Photonics & Engineering 1 (1), 22-58 (2015)). In the case of head tissues, skin compression can be performed using special massage devices or brushes, which can be combined with the irradiating light guides, or be transparent to light and simultaneously act as a massager and light guide. When using such light guide brushes, close optical contact with the skin is ensured, therefore, the influence of hair and hair follicles on the efficiency of light transmission into the head can also be minimized [B. Khan et al., “Improving optical contact for functional near-infrared brain spectroscopy and imaging with brush optodes,” Biomed. Opt. Exp. 3 (5), 878-898 (2012); X. Fang et al., Effect of Scalp Hair Follicles on NIRS Quantification by Monte Carlo Simulation and Visible Chinese Human Dataset, IEEE Photonics Journal 10 (5), 3901110 (2018)]. The simplest way to provide compression for light transmission is to mechanically press the end of the light guide onto the scalp surface until the patient feels light pain (Fig. 11 d, e).
Комбинация иммерсионного и компрессионного оптического просветления позволяет получить дополнительные выгоды при проведении света внутрь головы, связанные с более высокой эффективностью просветления, обусловленной синергетическим эффектом, так как при более тонкой (растянутой при давлении) коже диффузия иммерсионного агента в ткань происходит существенно быстрее, так как время диффузии τ пропорционально квадрату толщины ткани l и обратно пропорционально коэффициенту диффузии агента D a (V.V. Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2006),The combination of immersion and compression optical clarification allows you to obtain additional benefits when conducting light into the head, associated with a higher efficiency of clarification due to a synergistic effect, since with thinner (stretched under pressure) skin, the diffusion of the immersion agent into the tissue occurs much faster, since the time diffusion τ is proportional to the square of the tissue thickness l and inversely proportional to the diffusion coefficient of the agent D a (VV Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2006),
Например, при сокращении толщины скальпа в 5 раз, время просветления сокращается в 25 раз, а коэффициент пропускания оптического излучения, равныйFor example, when the scalp thickness is reduced by 5 times, the clearing time is reduced by 25 times, and the transmittance of optical radiation, equal to
за время t = τ становится максимально большим.in time t = τ becomes as large as possible.
Кроме того, в качестве иммерсионного агента можно использовать такие компоненты, как например, глицерин или лосьоны на его основе, которые создают комфортные ощущения для пациента, снимая дискомфорт, связанный с надавливанием. Все эти действия можно вписать в протокол типичных массажных процедур, выполняемых для кожи головы (B. S. Li, et al. Should we instruct patients to rub topical agents into skin?: the evidence, Journal of Dermatological Treatment, September 2018, DOI: 10.1080/09546634.2018.1527997). In addition, components such as glycerin or glycerin-based lotions, which create a comfortable feeling for the patient, relieve pressure-related discomfort, can be used as an immersion agent. All these actions can be entered into the protocol of typical massage procedures performed on the scalp (BS Li, et al. Should we instruct patients to rub topical agents into skin ?: the evidence, Journal of Dermatological Treatment, September 2018, DOI: 10.1080 / 09546634.2018 .1527997).
4. Надрезы в коже4. Skin incisions и иммерсионное просветление кости черепа and immersion clarification of the skull bone
В ряде сложных случаев можно использовать надрезы в коже для прямого контакта торца световода с костью черепа. Для снижения потерь света на кости черепа, а также сопутствующего ее нагрева, предлагается использовать иммерсионное просветление [A. N. Bashkatov, et al., “Optical Clearing of Human Cranial Bones by Administration of Immersion Agents,” Biophotonics: From Fundamental Principles to Health, Environment, Security and Defense Applications, Ottawa, Ontario, Canada, Sept. 29-Oct. 9, 2004; V.V. Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2006; E. A. Genina, A.N. Bashkatov, and V.V. Tuchin, “Optical Clearing of Cranial Bone,” Adv. Optical Technologies, Article ID 267867, 8 pgs, 2008; D. Zhu, et al., Recent progress in tissue optical clearing, Laser Photonics Rev. 7, No. 5, 732-757 (2013); Y.-J. Zhao et al., Skull optical clearing window for in vivo imaging of the mouse cortex at synaptic resolution, Light: Science & Applications 7, e17153 (2018)]. На Фиг.11 (а, з, и) представлена принципиальная схема технологии иммерсионного оптического просветления кости черепа для эффективного проведения лазерного излучения к коре головного мозга и далее в более глубокие отделы мозга. Иммерсионный агент наносится на обнаженную поверхность кости черепа на некоторое время, типично 10-30 мин, в зависимости от толщины черепной кости. Согласно работе (Y.-J. Zhao et al., Skull optical clearing window for in vivo imaging of the mouse cortex at synaptic resolution, Light: Science & Applications (2018) 7, e17153; doi: 10.1038/lsa.2017.153), для временного размягчения верхнего кортикального (твердого пластинчатого) слоя кости черепа, для большей проницаемости для иммерсионного агента, его поверхность обрабатывают 10% коллагеназой или 10% динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты (Disodium Ethylene Diamine Tetra-Acetate (EDTA) (это пищевая добавка E386, которая используется в качестве стабилизатора пищевых продуктов, а также в медицинской и фотохимической промышленности, в качестве сохраняющего вещества, препятствующего окислению, промышленное название Трилон Б) в течение 5-10 мин. После размягчения кость черепа местно обрабатывают 80%-водным раствором глицерина. Оба этапа занимают примерно 15-30 мин.In a number of difficult cases, skin incisions can be used for direct contact of the fiber end with the skull bone. To reduce the loss of light on the skull bone, as well as its concomitant heating, it is proposed to use immersion enlightenment [AN Bashkatov, et al., “Optical Clearing of Human Cranial Bones by Administration of Immersion Agents,” Biophotonics: From Fundamental Principles to Health, Environment, Security and Defense Applications, Ottawa, Ontario, Canada, Sept. 29-Oct. 9, 2004; VV Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood , PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2006; EA Genina, AN Bashkatov, and VV Tuchin, “Optical Clearing of Cranial Bone,” Adv. Optical Technologies ,
Биосовместимый иммерсионный агент для оптического просветления интактного черепа может иметь в своем составе лаурилсульфат натрия (Sodium Lauryl Sulfate) (самое распространенное поверхностно-активное вещество (ПАВ), которое есть практически по всех моющих средствах, шампунях, зубной пасте, гелях для душа и пр.), EDTA, диметилсульфоксид (ДМСО) (широко используется в медицине как противовоспалительное, анальгетическое, антисептическое и фибринолитическое средство, хорошо проникает через биологические мембраны, в том числе через кожу, является хорошим транспортным средством, способствуя проникновению через кожу и слизистые оболочки лекарственных препаратов), а также сорбитол (пищевая добавка Е420 - подсластитель, влагоудерживающее вещество) и глюкозу [Zhang Y, Zhang C, Zhong X, Zhu D. Quantitative evaluation of SOCS-induced optical clearing efficiency of skull. Quant Imaging Med Surg 2015;5(1):136-142].A biocompatible immersion agent for optical clarification of an intact skull may contain sodium lauryl sulfate (Sodium Lauryl Sulfate) (the most common surfactant (surfactant) found in almost all detergents, shampoos, toothpaste, shower gels, etc. ), EDTA, dimethyl sulfoxide (DMSO) (widely used in medicine as an anti-inflammatory, analgesic, antiseptic and fibrinolytic agent, it penetrates well through biological membranes, including through the skin, is a good vehicle, facilitating the penetration of drugs through the skin and mucous membranes) , as well as sorbitol (food additive E420 - sweetener, humectant) and glucose [Zhang Y, Zhang C, Zhong X, Zhu D. Quantitative evaluation of SOCS-induced optical clearing efficiency of skull. Quant Imaging Med Surg 2015; 5 (1): 136-142].
В отличие от работ [Y.-J. Zhao et al., Skull optical clearing window for in vivo imaging of the mouse cortex at synaptic resolution, Light: Science & Applications (2018) 7, e17153; Zhang Y, Zhang C, Zhong X, Zhu D. Quantitative evaluation of SOCS-induced optical clearing efficiency of skull. Quant Imaging Med Surg 2015; 5(1):136-142] при подходе к черепной кости как трехслойной оболочке, в которой выделяют наружную и внутреннюю компактные пластинки (толщиной менее 1 мм), между которыми располагается губчатое вещество - диплоэ (составляющее основную толщину кости) (Зайченко А.А. Конструкционная морфология мозгового черепа человека, Бюллетень медицинских Интернет-конференций 5 (7), 1021-1025 (2015). ISSN 2224-6150; https://studfiles.net/preview/2769287), можно предложить более эффективные композиции иммерсионных агентов и усилителей проницаемости в комбинации с физическими усилителями проницаемости (сонофорез или лазерофорез).Unlike works [Y.-J. Zhao et al., Skull optical clearing window for in vivo imaging of the mouse cortex at synaptic resolution, Light: Science & Applications (2018) 7, e17153; Zhang Y, Zhang C, Zhong X, Zhu D. Quantitative evaluation of SOCS-induced optical clearing efficiency of skull. Quant Imaging Med Surg 2015; 5 (1): 136-142] when approaching the cranial bone as a three-layer shell, in which the outer and inner compact plates (less than 1 mm thick) are isolated, between which there is a cancellous substance - diploe (which makes up the main thickness of the bone) (Zaychenko A. A. Structural morphology of the human cranial skull, Bulletin of Medical Internet Conferences 5 (7), 1021-1025 (2015). ISSN 2224-6150; https://studfiles.net/preview/2769287), it is possible to suggest more effective compositions of immersion agents and penetration enhancers in combination with physical penetration enhancers (sonophoresis or lasertophoresis).
В качестве иммерсионных агентов и химических и физических усилителей проницаемости для кости черепа могут быть использованы аналогичные препараты и воздействия, как и для кожи, однако необходимо использовать местное обезболивание. As immersion agents and chemical and physical enhancers of permeability to the bone of the skull, similar drugs and effects can be used as for the skin, however, local anesthesia must be used.
5. Отверстие в черепе и иммерсионное оптическое просветление ТМО5. Hole in the skull and immersion optical clarification of the dura mater
В особо тяжелых случаях для экстренной помощи можно дополнительно к надрезам кожи сверлить всю толщу кости черепа вплоть до твердой мозговой оболочки (ТМО) и подводить торец световода непосредственно к поверхности ТМО. Поскольку в медицинской практике в ряде случаев при лечении таких заболеваний, как опухоли головного мозга, используют небольшие отверстия, просверленные в кости черепа человека, то такое отверстие, проделанное без нарушения цельности ТМО, можно использовать для введения волоконного световода для целей лазерного облучения глубинных отделов мозга для лазерной биомодуляции физиологических процессов и открытия ГЭБ для проведения соответствующей лекарственной терапии. Цельность ТМО очень важна с точки зрения поддержания нормального внутричерепного давления и недопущения инфицирования тканей мозга. Просверливание отверстия в черепе является достаточно рутинной процедурой (https://www.healthline.com/health/burr-hole). Такие отверстия можно использовать многократно.In especially severe cases, for emergency assistance, in addition to skin incisions, you can drill the entire thickness of the skull bone up to the dura mater (TMO) and bring the end of the fiber directly to the surface of the TMO. Since in medical practice, in a number of cases in the treatment of diseases such as brain tumors, small holes drilled into the bones of the human skull are used, such a hole, made without violating the integrity of the dura mater, can be used to introduce a fiber light guide for laser irradiation of the deep parts of the brain for laser biomodulation of physiological processes and the opening of the BBB for appropriate drug therapy. The integrity of the dura mater is very important from the point of view of maintaining normal intracranial pressure and preventing brain tissue infection. Drilling a hole in the skull is a fairly routine procedure (https://www.healthline.com/health/burr-hole). These holes can be reused.
В дополнение к просверливанию канала в черепной кости для введения световода, существенно увеличить введение лазерной мощности в ткани мозга можно с помощью иммерсионного просветления ТМО. ТМО является типичной фиброзной соединительной тканью, будучи относительно толстой и плотной, она состоит из внешнего эндостального и внутреннего менингеального слоев. Средняя толщина твердой мозговой оболочки порядка 0.4 - 0.6 мм. Ее состав и толщина зависят от возраста с преобладанием коллагеновых волокон в составе ткани (более 90% твердой мозговой оболочки), особенно в эндостальном слое. Волокна коллагена расположены в параллельных пучках с различными ориентациями, варьирующимися от однонаправленных до случайных. Соответственно ТМО сильно рассеивает свет, уменьшая эффективную глубина проникновения света через нее далее в кору головного мозга. Нами ранее было предложено использовать иммерсионные агенты, такие как глюкоза и маннитол, для уменьшения рассеяния и более эффективного транспорта излучения через ТМО (Bashkatov AN, et al., In vitro study of control of human dura mater optical properties by acting of osmotical liquids. Proc SPIE 4162:182-188 (2000); Bashkatov AN, et al., Glucose and mannitol diffusion in human dura mater, Biophys J. 85, 3310-3318 (2003)). Эта идея недавно нашла продолжение в виде использования также глицерина, как просветляющего агента (E. C. Cheshire et al. Optical clearing of the dura mater using glycerol: a reversible process to aid the post-mortem investigation of infant head injury, Forensic Sci Med Pathol 11, 395-404 (2015)). Недавние исследования, направленные на разработку нетоксичного иммерсионного агента с высокой эффективностью оптического просветления, выраженной как In addition to drilling a canal in the cranial bone for the introduction of the light guide, the introduction of laser power into the brain tissue can be significantly increased using the dura mater immersion enlightenment. The dura mater is a typical fibrous connective tissue, being relatively thick and dense, it consists of the outer endosteal and inner meningeal layers. The average thickness of the dura mater is about 0.4 - 0.6 mm. Its composition and thickness depend on age, with a predominance of collagen fibers in the tissue (more than 90% of the dura mater), especially in the endosteal layer. Collagen fibers are arranged in parallel bundles with different orientations, ranging from unidirectional to random. Accordingly, the DM strongly scatters light, reducing the effective depth of light penetration through it further into the cerebral cortex. We have previously proposed the use of immersion agents such as glucose and mannitol to reduce scattering and more efficient transport of radiation through the dura mater (Bashkatov AN, et al., In vitro study of control of human dura mater optical properties by acting of osmotical liquids. Proc SPIE 4162: 182-188 (2000); Bashkatov AN, et al., Glucose and mannitol diffusion in human dura mater, Biophys J. 85, 3310-3318 (2003)). This idea has recently found a continuation in the form of using also glycerol as a clearing agent (EC Cheshire et al. Optical clearing of the dura mater using glycerol: a reversible process to aid the post-mortem investigation of infant head injury, Forensic
где µt (t = 0) - начальный коэффициент ослабления для интактного образца биоткани, µt (t) - значение коэффициента ослабления в различные моменты времени, показали высокую эффективность глюкозы, как иммерсионного агента, и скорость просветления (суммарный коэффициент диффузии молекул воды и глюкозы) (см. Таблицу 8) (Genina E.A., Bashkatov A.N., Tuchin V.V. Optical clearing of human dura mater under action of glucose solutions, Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 3(1), 010309-1-9 (2017); Башкатов А.Н., Генина Э.А., Тучин В.В. Определение коэффициента диффузии глюкозы в твердой мозговой оболочке человека, Изв. Сарат. ун-та, Новая сер., Сер. Физика 18 (1), 32-45 (2018)).where µt (t = 0) is the initial attenuation coefficient for an intact biotissue sample, μt (t) - the value of the attenuation coefficient at different points in time, showed a high efficiency of glucose as an immersion agent, and the rate of clearing (total coefficient of diffusion of water and glucose molecules) (see Table 8) (Genina EA, Bashkatov AN, Tuchin VV Optical clearing of human dura mater under action of glucose solutions, Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 3 (1), 010309-1-9 (2017); Bashkatov A.N., Genina E A., Tuchin V.V. Determination of the diffusion coefficient of glucose in the human dura mater, Izv.Sarat.un-ta, Novaya ser., Ser. Physics 18 (1), 32-45 (2018)).
Таблица 8. Эффективность оптического просветления с помощью высококонцентрированной глюкозы, %Table 8. The efficiency of optical clearing using highly concentrated glucose,%
Таким образом, одним из возможных агентов может быть глюкоза с концентрацией 3 М, которая позволяет увеличить эффективность доставки света через ТМО более 60 раз (Таблица 8). Такие агенты как маннитол и глицерин также показывают хорошую эффективность просветления ткани за время до получаса. После завершения процедуры, агент хорошо вымывается с помощью физиологического раствора. Процедура допускает многократное использование [V.V. Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2006].Thus, one of the possible agents can be glucose with a concentration of 3 M, which makes it possible to increase the efficiency of light delivery through the DM by more than 60 times (Table 8). Agents such as mannitol and glycerin also show good tissue clearing efficacy in up to half an hour. After the completion of the procedure, the agent is well washed out with saline. The procedure is reusable [VV Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood , PM 154 , SPIE Press, Bellingham, WA, 2006].
Таким образом, предлагается следующая последовательность операций: сначала на основании МРТ скана головы в области интереса определяют геометрические размеры слоев мягких и твердых тканей головы животного или человека и делают небольшой округлый надрез кожи головы и подлежащих тканей до кости черепа, так, чтобы один край ткани оставался соединенным с кожей головы, отворачивают надрезанный участок и с использованием данных по измерениям толщины черепа просверливают отверстие в кости черепа так, чтобы была возможность провести оптическое излучение непосредственно через кость черепа на поверхность твердой мозговой оболочки с помощью световода или миниатюрного источника света - облучателя, диаметр отверстия определяется внешним диаметром световода или облучателя, и может быть в диапазоне от 1 до 5 мм. Далее на основании МРТ данных без учета кожи, подстилающих кожу мягких тканей и кости черепа определяют входные параметры для моделирования распределения света в тканях мозга. Определяют необходимые энергетические параметры излучения и экспериментально обеспечивают необходимый уровень плотности мощности для управления физиологическими процессами в головном мозге (биомодуляция) и открытия ГЭБ для обеспечения доставки лекарственных препаратов путем системной инъекции. Для повышения эффективности процедуры и снижения необходимой плотности мощности лазерного излучения ТМО пропитывают иммерсионным агентом, подогретым до физиологической температуры внутри черепа. Thus, the following sequence of operations is proposed: first, based on an MRI scan of the head in the area of interest, the geometric dimensions of the layers of soft and hard tissues of the animal or human head are determined and a small rounded incision of the scalp and underlying tissues is made to the skull bone, so that one edge of the tissue remains connected to the scalp, unscrew the incised area and, using data from measurements of the thickness of the skull, drill a hole in the skull bone so that it is possible to conduct optical radiation directly through the skull bone to the surface of the dura mater using a light guide or a miniature light source - irradiator, hole diameter is determined by the outer diameter of the light guide or feed, and can be in the range from 1 to 5 mm. Further, on the basis of MRI data without taking into account the skin, the underlying soft tissues and bones of the skull, the input parameters are determined for modeling the distribution of light in the brain tissues. The required energy parameters of the radiation are determined and the required level of power density is experimentally provided for controlling physiological processes in the brain (biomodulation) and opening the BBB to ensure the delivery of drugs by systemic injection. To improve the efficiency of the procedure and reduce the required power density of laser radiation, the TMT is impregnated with an immersion agent heated to the physiological temperature inside the skull.
В качестве иммерсионных агентов и химических и физических усилителей проницаемости для ТМО могут быть использованы аналогичные препараты и воздействия, как и для кожи, однако необходимо использовать местное обезболивание. As immersion agents and chemical and physical enhancers of permeability for dura mater, similar drugs and effects can be used as for the skin, but local anesthesia must be used.
6. Люминесцентные апконверсионные наночастицы 6. Luminescent upconversion nanoparticles
В ряде случаев можно использовать локальное или системное введение апконверсионных наночастиц, которые при возбуждении хорошо проникающим в биоткани излучением на длинах волн ближнего ИК диапазона, например, 980 нм, могут эффективно излучать в области 578 нм, где лежит одна из эффективных линий возбуждения синглетного кислорода и которая не может быть доставлена глубоко в мозг извне. Длину волны апконверсионных наночастиц на основе GdMgB5O10: Yb3+, Mn2+ можно настроить в диапазоне от 550 до 610 нм, изменяя, например, количество ионов Yb3+ и Mn2+, что было недавно продемонстрировано (S. Ye, et al., Transition Metal-Involved Photon Upconversion, Adv. Sci. 3, 1600302-1-25 (2016)). Коэффициент конверсии ИК излучения в видимое обычно на уровне ~ 2,5%, что означает при доставленной плотности мощности к коре головного мозга на уровне 100 мВт/см2, плотность мощности люминесценции на длине волны 578 нм вокруг наночастиц может достичь 2.5 мВт/см2, что на уровне порога для открытия ГЭБ. В возможности реализации такой схемы открытия ГЭБ, убеждают недавно проведенные успешные опыты по запуску оптогенетических каналов, для которых энергетические условия для возбуждающего света существенно более жесткие (S. Chen, et al., Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics, Science 359, 679-684 (2018)). Было оценено, что лазер мощностью 2,0 Вт с длиной волны 980 нм при прохождении через череп мыши с помощью волоконного световода диаметром сердцевины 200 мкм обеспечит плотность мощности 1380 мВт/см2 на этой длине волны на глубине 4,5 мм в мозге. При такой падающей интенсивности ИК излучения за счет конверсии на наночастицах NaYF4:Yb/Tm@SiO2 ожидается люминесценция на длинах волн 450/475 нм с интенсивностью порядка 34 мВт/см2, достаточной для активации ChR2 в мозге. Экспериментальные данные этих авторов для непрерывного лазера на длине волны 980 нм с импульсно-модулируемой интенсивностью (пиковая мощность 2 Вт, длительность импульса 25 мс, частота 20 Гц, время экспозиции 1 с) показали близкое значение для плотности излучения синей люминесценции апконверсионных наночастиц инжектированных в мозг мыши на глубину 4,5 мм, а именно ~ 6,3 мВт/см2. Несколько меньшее значение, полученное на эксперименте, можно отнести за счет сильного рассеяния и поглощения света белым веществом мозга.In some cases, it is possible to use local or systemic introduction of upconversion nanoparticles, which, upon excitation by radiation that penetrates well into biological tissues at wavelengths of the near IR range, for example, 980 nm, can efficiently emit in the region of 578 nm, where one of the effective excitation lines of singlet oxygen lies and which cannot be delivered deep into the brain from the outside. The wavelength of upconversion nanoparticles based on GdMgB 5 O 10 : Yb 3+ , Mn 2+ can be adjusted in the range from 550 to 610 nm, changing, for example, the number of Yb 3+ and Mn 2+ ions , which was recently demonstrated (S. Ye , et al., Transition Metal-Involved Photon Upconversion, Adv. Sci. 3, 1600302-1-25 (2016)). The coefficient of conversion of IR radiation to visible radiation is usually at a level of ~ 2.5%, which means that at a power density delivered to the cerebral cortex at a level of 100 mW / cm 2 , the power density of luminescence at a wavelength of 578 nm around nanoparticles can reach 2.5 mW / cm 2 , which is at the level of the threshold for opening the BBB. Recent successful experiments on launching optogenetic channels for which the energy conditions for exciting light are much more stringent (S. Chen, et al., Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics, Science 359, 679-684 (2018)). It has been estimated that a 2.0 W laser with a wavelength of 980 nm, when passed through the skull of a mouse using a fiber optic with a core diameter of 200 μm, will provide a power density of 1380 mW / cm 2 at this wavelength at a depth of 4.5 mm in the brain. With this incident IR radiation intensity due to conversion to nanoparticles NaYF4: Yb / Tm @ SiO 2 expected luminescence at the wavelengths of 450/475 nm with an intensity of about 34 mW / cm 2, sufficient to activate ChR2 in the brain. The experimental data of these authors for a cw laser at a wavelength of 980 nm with a pulse-modulated intensity (peak power 2 W,
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Sabino C.P., Deana A.M., Yoshimura T.M., da Silva D.F.T., Franca C.M., Hamblin M.R., Ribeiro M.S. The optical properties of mouse skin in the visible and near infrared spectral regions // J. Photochem. Photobiol. B, Vol. 160, P. 72-78, 2016.1. Sabino C.P., Deana A.M., Yoshimura T.M., da Silva D.F.T., Franca C.M., Hamblin M.R., Ribeiro M.S. The optical properties of mouse skin in the visible and near infrared spectral regions // J. Photochem. Photobiol. B, Vol. 160, P. 72-78, 2016.
2. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical properties of tissues in the visible-NIR spectral range // in Book of Abstracts of 7-th Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium PALS'15, Saratov, Russia, September 22-25, 2015, P. 74-75.2. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical properties of tissues in the visible-NIR spectral range // in Book of Abstracts of 7-th Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium PALS'15, Saratov, Russia, September 22-25, 2015, P. 74-75.
3. A.M.K. Nilsson, R. Berg, S. Andersson-Engels, “Measurements of the optical properties of tissue in conjunction with photodynamic therapy”, Appl. Opt. 34, 4609-4619 (1995).3. AMK Nilsson, R. Berg, S. Andersson-Engels, “Measurements of the optical properties of tissue in conjunction with photodynamic therapy”, Appl. Opt. 34 , 4609-4619 (1995).
4. Firbank M., Hiraoka M., Essenpreis M., Delpy D.T. Measurement of the optical properties of the skull in the wavelength range 650-950 nm // Phys. Med. Biol., 1993, Vol. 38, P. 503-510.4. Firbank M., Hiraoka M., Essenpreis M., Delpy D.T. Measurement of the optical properties of the skull in the wavelength range 650-950 nm // Phys. Med. Biol., 1993, Vol. 38, P. 503-510.
5. Ghaffari M., Zoghi M., Rostami M., Abolfathi N. Fluid structure interaction of traumatic brain injury: effect of material properties on SAS trabeculae // International Journal of Modern Engineering, Vol. 14(2), P. 54-61, 2014.5. Ghaffari M., Zoghi M., Rostami M., Abolfathi N. Fluid structure interaction of traumatic brain injury: effect of material properties on SAS trabeculae // International Journal of Modern Engineering, Vol. 14 (2), P. 54-61, 2014.
6. Сорвойя Х.С.С., Мюллюля Т.С., Кириллин М.Ю., Сергеева Е.А., Мюллюля Р.А., Элесуд А.А., Никкинен Ю., Тервонен О., Кивиниеми В. Неинвазивный МРТ-совместимый волоконно-оптический прибор для функциональной рефлектометрии мозга человека в оптическом и ближнем ИК диапазонах // Квантовая электроника, Т. 40, № 12, С. 1067-1073, 2010.6. Sorvoya Kh.S.S., Myllylya T.S., Kirillin M.Yu., Sergeeva E.A., Myllylya R.A., Elesud A.A., Nikkinen Yu., Tervonen O., Kiviniemi V Non-invasive MRI-compatible fiber-optic device for functional reflectometry of the human brain in the optical and near-IR ranges // Quantum electronics, vol. 40, no. 12, pp. 1067-1073, 2010.
7. Escamilla-Mackert T., Langhals N.B., Kozai T.D.Y., Kipke D.R. Insertion of a Three Dimensional Silicon Microelectrode Assembly through a Thick Meningeal Membrane // Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009; 2009: 1616-161.7. Escamilla-Mackert T., Langhals N.B., Kozai T.D.Y., Kipke D.R. Insertion of a Three Dimensional Silicon Microelectrode Assembly through a Thick Meningeal Membrane // Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009; 2009: 1616-161.
8. Yaroslavsky A.N., Schulze P.C., Yaroslavsky I.V., Schober R., Ulrich F., Schwarzmaier H.-J. Optical properties of selected native and coagulated human brain tissues in vitro in the visible and near infrared spectral range // Phys. Med. Biol., Vol. 47, P. 2059-2073, 2002.8. Yaroslavsky AN, Schulze PC, Yaroslavsky IV, Schober R., Ulrich F., Schwarzmaier H.-J. Optical properties of selected native and coagulated human brain tissues in vitro in the visible and near infrared spectral range // Phys. Med. Biol., Vol. 47, P. 2059-2073, 2002.
9. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Optical properties of human cranial bone in the spectral range from 800 to 2000 nm // Proc. SPIE, Vol. 6163, 616310, 2006.9. Bashkatov AN, Genina EA, Kochubey VI, Tuchin VV Optical properties of human cranial bone in the spectral range from 800 to 2000 nm // Proc. SPIE, Vol. 6163, 616310, 2006.
10. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Tissue Optical Properties / Chapter 5 in: Handbook of Biomedical Optics, David A. Boas, Constantinos Pitris, and Nimmi Ramanujam (editors), Taylor & Francis Group, LLC, CRC Press Inc., 2011, pp. 67-100.10. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Tissue Optical Properties /
Claims (25)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019144502A RU2740123C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Method of laser biomodulation and increase of blood-brain barrier permeability |
| PCT/RU2020/050395 WO2021133233A1 (en) | 2019-12-27 | 2020-12-25 | Method for laser biomodulation and increasing blood-brain barrier permeability |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019144502A RU2740123C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Method of laser biomodulation and increase of blood-brain barrier permeability |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2740123C1 true RU2740123C1 (en) | 2021-01-11 |
Family
ID=74183854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019144502A RU2740123C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Method of laser biomodulation and increase of blood-brain barrier permeability |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2740123C1 (en) |
| WO (1) | WO2021133233A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2783111C1 (en) * | 2021-07-28 | 2022-11-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева) | Method for protecting neurons in neurodegenerative diseases and apparatus for implementation thereof |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2077074C1 (en) * | 1992-11-30 | 1997-04-10 | Красноярский государственный медицинский институт | Method of simulation of rat transplacental permeability variation |
| US20090005711A1 (en) * | 2005-09-19 | 2009-01-01 | Konofagou Elisa E | Systems and methods for opening of the blood-brain barrier of a subject using ultrasound |
| RU2688013C1 (en) * | 2017-11-21 | 2019-05-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Non-invasive method for improving permeability of hematoencephalic barrier |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697594C1 (en) * | 2018-07-17 | 2019-08-15 | Арт фотоникс ГмбХ | Method of obtaining optical image of interphalangeal joints and optical sensor for its implementation |
-
2019
- 2019-12-27 RU RU2019144502A patent/RU2740123C1/en active
-
2020
- 2020-12-25 WO PCT/RU2020/050395 patent/WO2021133233A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2077074C1 (en) * | 1992-11-30 | 1997-04-10 | Красноярский государственный медицинский институт | Method of simulation of rat transplacental permeability variation |
| US20090005711A1 (en) * | 2005-09-19 | 2009-01-01 | Konofagou Elisa E | Systems and methods for opening of the blood-brain barrier of a subject using ultrasound |
| RU2688013C1 (en) * | 2017-11-21 | 2019-05-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Non-invasive method for improving permeability of hematoencephalic barrier |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТЕРСКОВ А. В. и др. Фотодинамический способ открытия гематоэнцефалического барьера. Материалы IX научной конференции молодых ученых "Представляем научные достижения миру. Естественные науки". 2019, стр. 179-183. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2783111C1 (en) * | 2021-07-28 | 2022-11-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева) | Method for protecting neurons in neurodegenerative diseases and apparatus for implementation thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021133233A1 (en) | 2021-07-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yun et al. | Light in diagnosis, therapy and surgery | |
| US9259594B2 (en) | Apparatus and methods for deep tissue laser therapy | |
| US8430104B2 (en) | Method for treatment of microbial infection | |
| US20090069741A1 (en) | Methods And Devices For Fractional Ablation Of Tissue For Substance Delivery | |
| KR20130127478A (en) | Non-invasive fat reduction by hyperthermic treatment | |
| WO2014149021A2 (en) | Non-invasive fat reduction by hyperthermic treatment | |
| US10675481B1 (en) | Laser system for multiple beam tissue therapy | |
| JP2008500846A (en) | Method and product for making a grid of EMR-treated isolated points in tissue and use thereof | |
| US20100298758A1 (en) | Method for non-therapeutic or therapeutic photodynamic skin treatment | |
| Smith et al. | Microvascular blood flow dynamics associated with photodynamic therapy, pulsed dye laser irradiation and combined regimens | |
| US20130274837A1 (en) | Systems and Methods to Enhance Optical Transparency of Biological Tissues for Photobiomodulation | |
| Khan et al. | Can topically applied optical clearing agents increase the epidermal damage threshold and enhance therapeutic efficacy? | |
| Jia et al. | Treatment of cutaneous vascular lesions using multiple‐intermittent cryogen spurts and two‐wavelength laser pulses: Numerical and animal studies | |
| EP2968889A1 (en) | Methods of delivering nanoshells into sebaceous glands | |
| Barolet | Low fluence–high repetition rate diode laser hair removal 12‐month evaluation: Reducing pain and risks while keeping clinical efficacy | |
| RU2740123C1 (en) | Method of laser biomodulation and increase of blood-brain barrier permeability | |
| Zharov et al. | Laser combined medical technologies from Russia | |
| Piccolo et al. | Quick guide to dermoscopy in laser and IPL treatments | |
| Szymańczyk et al. | Application of the laser diode with central wavelength 975 nm for the therapy of neurofibroma and hemangiomas | |
| Khamees et al. | The use of lasers (ablative laser, non-ablative laser, fractional laser, photobiomodulation (PBM)) in skin regeneration | |
| Bashkatov et al. | Monte Carlo study of skin optical clearing to enhance light penetration in the tissue: implications for photodynamic therapy of acne vulgaris | |
| Kolontaja-Zaube et al. | Impact of intense pulsed light therapy on the quality of life of rosacea patients | |
| RU2336106C2 (en) | Method of skin rejuvenation | |
| Marsh et al. | A Non-Invasive Skin Treatment Combining LED with Pharmacologic and Ultrasonic Technologies for Facial Rejuvenation | |
| Ullmann et al. | The aesthetic applications of intense pulsed light using the Lumenis M-22 device |