專利名稱：：用光能刺激生物組織的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的背景1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總的來說涉及經(jīng)光輻射治療活生物組織的方法，具體地說，本發(fā)明涉及用激光輻射刺激軟的活組織的方法。2.
背景技術(shù)：
描述各種非手術(shù)方法已用于活組織的治療處理。這種技術(shù)包括使用超聲波能、電刺激、以透熱療法、X射線和微波照射進行的高頻刺激。電刺激、透熱療法、X光和微波照射之類的技術(shù)對軟組織已顯示出某些治療優(yōu)點。然而，由于過度的熱作用造成的組織損傷，它們的使用受到某種程度的限制。因而，用涉及透熱療法、X射線，微波和電刺激的治療處理有關(guān)的能量水平已被限制在如此低的水平上以致于只能獲得很少的益處或者根本不能獲得益處。此外，必須細心地控制微波和X-射線輻射的劑量或暴露以避免出現(xiàn)與所述的輻射相關(guān)的健康問題。超聲波能不被優(yōu)先吸收并且影響所有周圍的組織。由激光產(chǎn)生的光能已被應(yīng)用于各種醫(yī)學(xué)和外科目的，由于激光光線的單色與連續(xù)的性質(zhì)，依據(jù)所照射的組織的性質(zhì)和光線的波長的某些特征(包括反射率、吸收系數(shù)、散射系數(shù)、熱傳導(dǎo)率以及熱擴散常數(shù))，其可以被活組織選擇性地吸收。反射率、吸收系數(shù)和散射系數(shù)取決于光輻射的波長。已知吸收系數(shù)依賴于帶內(nèi)(interband)躍遷、自由電子吸收、柵格吸收(聲子吸收)和雜質(zhì)吸收之類的因素(其取決于光輻射的波長)。在活組織中，水是一個在紅外范圍中有吸收帶(按照水分子的振動)的主要的組分。由于血紅蛋白的存在，在可見范圍中存在吸收。而且，在活組織中的散射系數(shù)是一個占主要地位的因素。這樣，對于一種給定的組織類型而言，激光光線可以通過組織傳播，基本上不衰減，或者幾乎可以被徹底地吸收。組織被加熱并最終被破壞的程度取決于它吸收光能的程度。一般來說，激光光線最好是在希望不受影響的組織中基本上被傳送，在待受影響的組織中被吸收。例如，當(dāng)在由血液或水潤濕的組織處使用激光輻射時，希望光能不被水或血液吸收，從而使激光能特異性地針對待治療的組織。激光治療的另一個優(yōu)點是光能可以以精確的、非常有限的位置和以預(yù)定的有限的能量水平被傳送到治療組織。已知紅寶石和氬激光發(fā)射電磁光譜可見部分的光能，并且已成功地用于眼科學(xué)領(lǐng)域，以便將視網(wǎng)膜再連接到下面的脈絡(luò)膜上，和經(jīng)穿過眼睛前面的部分減少眼間壓力來治療青光眼。紅寶石激光能具有694納米的波長，在可見光譜的紅色部分。氬激光發(fā)射在488和515納米的能量，因此出現(xiàn)在可見光譜的藍綠色部分。紅寶石和氬激光光束很少地被水吸收，但被血液色原體血紅蛋白強烈吸收。這樣，紅寶石和氬激光能很少被非著色的組織(如眼角膜，透鏡以及玻璃體)吸收，但是較好地被著色的視網(wǎng)膜吸收，其然后在此發(fā)生熱作用。已在外科手術(shù)中采用的另一種激光類型是二氧化碳(CO2)氣體激光，其發(fā)射強烈地被水吸收的光束。CO2激光的波長為10.6微米，因此位于電磁光譜的不可見遠紅外區(qū)，并且不依賴于組織顏色被所有具有高水含量的軟組織吸收。這樣，CO2激光構(gòu)成了一個良好的外科解剖刀和汽化器。因為它完全被吸收，所以其穿透的深度淺，就所治療的組織表面而言可被精確地控制。因此，CO2激光非常適合用于各種外科方法中，其中其對蒸發(fā)或者凝結(jié)無色組織是必需的，對鄰近組織具有的最小的熱破壞。另一個得到廣泛利用的激光是釹涂布的釔-鋁-石榴石(NdYAG)激光。NdYAG激光在電磁光譜的近紅外區(qū)中其1,320納米第二波長處具有作用的良好方式。NdYAG光發(fā)射被血液吸收的程度高于被水吸收的程度，這使得其在凝結(jié)大的出血脈管上有用。在1,320納米的NdYAG激光已通過內(nèi)窺鏡發(fā)射來治療各種胃腸流血損傷，如食管的脈管曲張、消化器官潰瘍以及動靜脈異常。這樣的激光能的應(yīng)用非常適合于需要高能熱作用的場合(如組織汽化、組織燒灼、凝結(jié))和作為外科手術(shù)刀。下列美國專利公開了通過激光輻射治療處理活組織的儀器和方法3,456,6513,720,2134,141,3624,144,8884,367,7294,561,4404,573,4654,589,4044,601,2884,604,9924,672,9694,692,9244,705,0364,931,0534,966,144三個專利Dew，4,672,969.00；LEsperance，Jr.4,931,053.00(1990年6月5日申請)；和Rochkind等4,966,144.00(1990年10月30日申請)充分描述了現(xiàn)有技術(shù)，這一現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)了在某些特定的應(yīng)用中使用激光能。Dew公開了一種激光(具體地說是在1,320納米的第二波長下進行操作的NdYAG激光)的用途。Dew公開了NdYAG激光通常在1,060納米進行操作。Dew專利的目的是使用激光使得創(chuàng)傷閉合和重構(gòu)生物組織。激光能轉(zhuǎn)化成熱，熱最終將組織斷裂成充當(dāng)″生物粘合劑″的膠原成份。LEsperance教導(dǎo)了用于可見紅或低紅外與極端低能激光照射組織中的兩種激光光束的利用。LEsperanc教導(dǎo)了使用氦-氖或者氪激光。LEsperance所使用的波長是傳送15毫瓦輸出功率的610-660納米。Rochkind(1990年10月30日申請)使用連續(xù)的或不連續(xù)的壽命(life)，但描述了在632納米(具有16毫瓦/cm2強度)進行操作的氦-氖激光或者產(chǎn)生465或520納米(具有約40毫瓦/cm2光強度)的氬型激光。此外，Rochkind描述了實現(xiàn)發(fā)明所尋求的方法的兩步法；在外科手術(shù)期間打開和暴露組織時進行第一次處理，在縫合后進行第二次處理。發(fā)明目的已在非常低功率(典型地完全在100毫瓦以下)水平上嘗試了用于刺激軟組織以減少疼痛和發(fā)炎，刺激微循環(huán)以減少愈合時間之目的的常規(guī)激光的使用。盡管已取得某些治療益處，但治療時間長得不可接受。因此，本發(fā)明的目的是提供為了治療目的安全有效地將反應(yīng)性激光施用于活組織而不需將所說組織暴露在破壞性的熱作用下的方法，所述的治療目的例如以較高水平的功率減少疼痛、減少發(fā)炎，和通過刺激微循環(huán)促進組織愈合。這一方法縮短了本領(lǐng)域已知的治療時間。發(fā)明概述已發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的方法在不將所說活組織暴露在破壞性的熱作用下減少軟組織疼痛、減少發(fā)炎和通過刺激微循環(huán)促進組織愈合，所述方法使用100毫瓦到800毫瓦范圍內(nèi)低水平反應(yīng)性激光系統(tǒng)，用NdYAG激光在1,064納米的基礎(chǔ)波長下產(chǎn)生的光能以脈沖或連續(xù)方式進行。在另一種方法中，光能是由1,055納米波長的釹涂布的釔-鋰-氟化物(NdYLF)激光產(chǎn)生的，或者由在1,000至1,150納米優(yōu)選波長范圍內(nèi)的某些其它激光產(chǎn)生的。在波長和功率組織耗散水平上用光能照射活組織，以便產(chǎn)生被吸收和被轉(zhuǎn)化成熱的光能的量在足以將所照射的組織的平均溫度提高到基礎(chǔ)體溫之上的最小吸收率所限定的范圍內(nèi)，但低于組織轉(zhuǎn)化成膠原物質(zhì)時的吸收率。小心控制波長、位點、光束大小、功率、暴露時間，以便在所照射的組織中產(chǎn)生明顯的熱作用，但該作用是有限的以避免熱作用產(chǎn)生的組織損傷。沒有所引用的現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)了本發(fā)明。如本說明書所提出的，NdYAG激光在其1,064納米的基本波長(具有80-100毫瓦的功率)下進行操作。或者NdYLF激光在1,055納米的波長(具有相同的功率范圍)下進行操作。LEsperance和Rochkind都沒有教導(dǎo)以這種特定的方式使用NdYAG激光。LEsperance和Rochkind都詳細描述了約本發(fā)明的一半波長的優(yōu)選的操作方法。事實上，LEsperance利用了兩個光束而非一個光束。沒有現(xiàn)有技術(shù)公開NdYAG激光在其1,064納米基本波長處的用途。下表比較了Dew、L-Esperance和Rochkind的技術(shù)與本發(fā)明。</tables>盡管L′Esperance可以教導(dǎo)Rochkind的方法，但甚至沒有現(xiàn)有技術(shù)暗示NdYAG激光可以以這種方式用很大的功率使用和獲得所需的結(jié)果。優(yōu)選實施方案的描述按照優(yōu)選的方法，所述激光能是以100-800毫瓦輸出功率水平和1.064納米基本波長由NdYAG激光產(chǎn)生的。將所述激光光能運用于身體的需要減少肌肉痙攣、增加循環(huán)、減少疼痛或者加快組織愈合的區(qū)域。界定表面區(qū)域，以所需量的時間和強度(具有限制在約1焦耳/cm2到約15焦耳/cm2范圍的被照射組織能量密度)用激光光束照射組織表面以產(chǎn)生所需的治療作用。治療的強度和時間長短由待治療的組織、所需侵入的深度、損傷的劇烈程度以及患者的狀況確定。為了減少疼痛、減少發(fā)炎、并經(jīng)刺激微循環(huán)加快組織愈合的目的，說明了一個低水平反應(yīng)性激光系統(tǒng)的治療處理方法，所有過程在不產(chǎn)生組織破壞性熱作用的情況下成功地進行。一個NdYAG激光共振器用作激光源。其基本波長是1,061納米，并且具有100毫瓦-800毫瓦的可調(diào)光束能量輸出。所述激光可以以脈沖或者連續(xù)方式進行操作，其輸出由在0.1-9.9分鐘范圍內(nèi)的暴露定時器控制。脈沖接通時間以0.1秒間隔時間在0.1-9.9秒的范圍內(nèi)可調(diào)。脈沖斷開時間也以0.1秒間隔時間在0.1-9.9秒的范圍內(nèi)可調(diào)。NdYAG激光光束在1,064納米的電磁光譜紅外部分(因此是不可見的)進行操作。將光束傳送到靶范圍內(nèi)的方法是采用柔軟的石英纖維與聚焦的機頭。NdYAG激光光束脫離激光頭的輸出耦合器，并在通過循環(huán)可變的中等密度衰減器之前由一對排列的楔形物引導(dǎo)。穿過衰減器的光線通過一對在光學(xué)纖維電纜最接近的末端上的90毫米焦點長透鏡聚焦。主要光束衰減器是放置在輸出耦合器和光束引導(dǎo)鏡之間的激光頭外部的開閉器。其包括四個組件90度反射棱柱、開閉器臂，開閉器安裝支架和促進螺線管。棱柱安裝到開閉器臂上，以便在通常關(guān)閉的位置上棱柱攔截激光光束，并將其向下反射到激光板中的光束堆存處(dump)。當(dāng)輸出通道被選擇，并且腳踏板被壓下時(其導(dǎo)致開閉器臂提高并使得光束提高)，螺線管是有能量的。當(dāng)螺線管臂去能量時，開閉器下降到關(guān)閉的位置。光能由一種連續(xù)的光源產(chǎn)生，優(yōu)選的是由在電磁光譜的近紅外區(qū)中的1,064納米波長的激光產(chǎn)生。激光由指導(dǎo)光能光束到組織表面的光纖維導(dǎo)向裝置和耦合器提供。控制光輻射的能量，并用于產(chǎn)生在所照射的組織中的最小吸收率，該吸收率將所照射組織的平均溫度提高到基礎(chǔ)體溫水平之上，但其不超過最大吸收率(其大得足以將所照射的組織轉(zhuǎn)化成膠原物質(zhì))。通過廣泛的試驗已確定，在100-800毫瓦功率輸出的水平的1,064納米的主要波長下，以在治療位點上產(chǎn)生約1.0焦耳/cm2和15焦耳/cm2范圍內(nèi)的發(fā)射激光光束能量密度的聚焦的激光光束操作NdYAG激光時可滿足上述條件。當(dāng)使用上述方法時，觀察到了在組織中的和在細胞水平上的某些生理機制。在微循環(huán)系統(tǒng)評價中，例如，血液脈管壁具有感光性已被證明。當(dāng)血液脈管壁暴露于以上提出的激光輻射時，緊張在平滑肌細胞中受到抑制，這樣，在毛細管中增加血流量。已觀察到的其它作用是外周的毛細新血管形成、血液血小板聚集減弱、三價至單價形式的O2還原(由此使得組織有更大的氧合作用)、在血液中緩沖物質(zhì)濃度降低、紅細胞變形指數(shù)穩(wěn)定、血液過氧化的脂氧化產(chǎn)物減少。已觀察到的其它作用是抗凝血酶活性指數(shù)增加、抗氧化劑系統(tǒng)酶(如超氧化物歧化酶和過氧化氫酶)的刺激作用。觀察到從所照射的區(qū)域的靜脈和淋巴和流出物增加。在上述區(qū)域中的組織滲透性實質(zhì)上得到提高。這有助于在組織中立刻減少水腫和血腫濃縮物。在細胞水平上，也注意到線粒體產(chǎn)生增加量的ADP，爾后增加ATP產(chǎn)生。也似乎增加了組織膜上在細胞水平上的鈣和鈉泵的刺激作用。在神經(jīng)元水平上，觀察到了作為前述治療處理的結(jié)果的下列作用。首先，存在壓碎的和完整的神經(jīng)的增加的作用潛力。在所照射的區(qū)域上血液供給和軸突數(shù)量增加。當(dāng)組織被治療時，注意到傷疤組織的抑制作用。存在神經(jīng)膜通透性的立即增加。已觀察到通過神經(jīng)的鈣和鉀離子通透性至少在120天長期變化。RNA和隨后的DNA的生產(chǎn)增加。產(chǎn)生單價氧(其在細胞再生中是一個重要的因素)。具有神經(jīng)損傷的病理退化改變成再生。星形膠質(zhì)細胞和少突神經(jīng)膠質(zhì)細胞受到刺激，造成外圍神經(jīng)軸突和髓磷脂的生產(chǎn)增加。血液的吞噬細胞裂解增加，進而實質(zhì)上減少感染。也顯示出明顯的抗炎癥現(xiàn)象，其使得腱、神經(jīng)、關(guān)節(jié)囊的炎癥減少，同時產(chǎn)生加強的膠原。在有限的循環(huán)條件下在傷口閉合中也有對明顯增加的粒狀組織的影響。已觀察到組織的痛覺缺失與組織水平上的復(fù)雜的系列活動相聯(lián)系。在局部水平上，有炎癥的減弱，引起滲出物的再吸收。腦啡肽和內(nèi)啡肽得到補充，在脊髓水平上和人腦中調(diào)節(jié)疼痛的產(chǎn)生。serotnogenic途徑也得到補充。雖然不是完全清楚，但人們相信組織的照射造成在細胞水平上的能量平衡的回復(fù)(這是疼痛減弱的原因)。在另一種方法中，激光能是由1,055納米的波長的NdYAG激光產(chǎn)生的。其它激光可被使用或者被開發(fā)，以便以相同的功率水平在約1,000到約1,150納米的優(yōu)選的范圍內(nèi)進行操作。盡管參照優(yōu)選的方法和參照特定的治療用途描述了本發(fā)明，但以上的描述不是用來進行限制性意義上的解釋的。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，以上說明書的內(nèi)容提示了所公開的實施方案的修改和本發(fā)明的其它應(yīng)用。因此，應(yīng)注意到，所附權(quán)利要求將覆蓋落于本發(fā)明真正范圍內(nèi)的任何這樣的修改或?qū)嵤┓桨?。?quán)利要求1.一種用于治療活體生物組織小治療區(qū)而不需將所說組織暴露在損傷性熱作用下的方法，所說的方法包括用一種低水平反應(yīng)性激光產(chǎn)生連續(xù)的光能輻射，該輻射具有在電磁光譜近紅外區(qū)范圍內(nèi)的波長，其輸出功率在約100毫瓦到約800毫瓦的范圍內(nèi)，和將所說的連續(xù)的光能輻射聚焦在所說的小治療區(qū)，以使在所照射的組織中吸收和轉(zhuǎn)化成熱的比率在足以使被輻射組織的平均溫度提高到活體基礎(chǔ)體溫水平之上的最小比率與低于所照射的組織轉(zhuǎn)化成膠原物質(zhì)時的比率的最大比率之間的范圍內(nèi)，其中所說的光能輻射在所照射的組織位點上的密度在約1.0焦耳/cm2到約15焦耳/cm2的范圍內(nèi)。2.按照權(quán)利要求1的方法，其中所說的波長是約1,064納米。3.按照權(quán)利要求2的方法，其中所說的低水平反應(yīng)性激光包括NdYAG激光。4.按照權(quán)利要求3的方法，其中在柵格中的許多小治療區(qū)上用所說的連續(xù)的光能輻射以提供治療效果所需量的時間和強度照射所說的組織。5.按照權(quán)利要求3的方法，其中每一個小治療區(qū)具有在約0.5mm2到約2mm2的范圍內(nèi)的區(qū)域。6.按照權(quán)利要求3的方法，其中所說的低水平反應(yīng)性激光用接通時間在0.1至9.9秒范圍內(nèi)，斷開時間在0.1至9.9秒范圍內(nèi)的各脈沖來脈沖。7.按照權(quán)利要求3的方法，其中以繼續(xù)不斷的方式操作所說的低水平反應(yīng)性激光。8.按照權(quán)利要求1的方法，其中所說的波長是約1,055納米。9.按照權(quán)利要求4的方法，其中所說的低水平反應(yīng)性激光包括NdYLF激光。10.按照權(quán)利要求9的方法，其中在柵格中的許多小治療區(qū)上用所說的連續(xù)的光能輻射以提供治療效果所需量的時間和強度照射所說的組織。11.按照權(quán)利要求9的方法，其中每一個小治療區(qū)具有在約0.5mm2到約2mm2的范圍內(nèi)的區(qū)域。12.按照權(quán)利要求9的方法，其中所說的低水平反應(yīng)性激光用接通時間在0.1至9.9秒范圍內(nèi)，斷開時間在0.1至9.9秒范圍內(nèi)的各脈沖來脈沖。13.按照權(quán)利要求9的方法，其中以繼續(xù)不斷的方式操作所說的低水平反應(yīng)性激光。14.按照權(quán)利要求1的方法，其中所說的低水平反應(yīng)性激光包括NdYAG激光。15.按照權(quán)利要求1的方法，其中所說的低水平反應(yīng)性激光包括NdYLF激光。16.按照權(quán)利要求1的方法，其中在柵格中的許多小治療區(qū)上用所說的連續(xù)的光能輻射以提供治療效果所需量的時間和強度照射所說的組織。17.按照權(quán)利要求1的方法，其中每一個治療點具有在約0.5mm2到約2mm2的范圍內(nèi)的區(qū)域。18.按照權(quán)利要求1的方法，其中所說的低水平反應(yīng)性激光用接通時間在0.1至9.9秒范圍內(nèi)，斷開時間在0.1至9.9秒范圍內(nèi)的各脈沖來脈沖。19.按照權(quán)利要求1的方法，其中以繼續(xù)不斷的方式操作所說的低水平反應(yīng)性激光。20.按照權(quán)利要求1的方法，其中所說的波長在約1,000納米到約1,150納米的范圍內(nèi)。全文摘要以一定的波長和功率耗散水平用光能照射活體生物組織,使得在組織中被吸收的和被轉(zhuǎn)化成熱的光能的量在由足以使被輻射組織的平均溫度提高到活體基礎(chǔ)體溫水平之上的最小吸收率,但低于組織轉(zhuǎn)化成膠原物質(zhì)時的吸收率所限定的范圍內(nèi)。根據(jù)這一方法,在被照射的組織中產(chǎn)生治療和溫暖效果,但不引起由加熱過度產(chǎn)生的組織損傷。業(yè)已發(fā)現(xiàn),使用100毫瓦到800毫瓦的低水平反應(yīng)性激光系統(tǒng),以脈沖或連續(xù)方式在1,064納米基本波長下由Nd:YAG激光產(chǎn)生光能的方法可降低軟組織疼痛、減少發(fā)炎和經(jīng)刺激微循環(huán)促進組織愈合,而不使活組織受到損傷性的熱作用。文檔編號A61B18/20GK1179727SQ95197798公開日1998年4月22日申請日期1995年3月31日優(yōu)先權(quán)日1995年3月31日發(fā)明者G·J·比林格申請人:激光生物治療公司