«ЭкоГрад» продолжает публикацию научных работ разных лет профессора, академика РАЕН Виктора Аполлонова - специалиста по лазерам, номинанта конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (Академик Виктор Аполлонов, специалист по лазерам, номинант конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (ФОТО, ВИДЕО)). Список уже вышедших материалов - см. в разделе каждой публикации «Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде», а также следите за обновлениями на нашем сайте!
Виктор Викторович Аполлонов –– генеральный директор ООО «Энергомаштехника», заведующий отделом мощных лазеров Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР (1982) и РФ (2001), академик АИН и РАЕН, член Президиума РАЕН. Член докторского совета Института, член Американских физического и оптического обществ. Ведущий специалист в области мощных лазерных систем и взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 1920 докладов, выступлений в средствах массовой информации, научных публикаций, в том числе 18 монографий и 144 авторских свидетельств и патентов. Окончил c отличием МИФИ в 1970 г. За 49 лет научной работы в ФИАН (до 1983 г.) и далее в ИОФ РАН он впервые:
–– получил многозарядные ионы тяжелых элементов при взаимодействии мощного лазерного излучения с твердыми мишенями и исследовал их энергетические характеристики. Идея использования многозарядных ионов в ускорителях была реализована в Дубне, сегодня она претворяется в жизнь в ЦЕРНе;
–– сформулировал и развил физико-технические основы статической и адаптивной охлаждаемой силовой оптики, сформулировал критерии разрушения зеркальных поверхностей в случае непрерывного, импульсного и импульсно-периодического режимов воздействия. Совместно с рядом предприятий оборонного комплекса им созданы мощные лазерные установки МВт-ного уровня;
–– предложил транспортировку носителей заряда с целью динамического профилирования электрического поля в разрядном промежутке и формирования устойчивых разрядов в промежутках до одного метра и в объемах до нескольких кубических метров, создал высокоэффективные импульсные лазерные системы;
–– провел исследования лазерной молниезащиты ценных объектов с помощью высокопроводящего искрового канала, создаваемого лазерным излучением;
–– разработал физико-технические принципы построения мощных полупроводниковых охлаждаемых матриц лазерных диодов и осуществил фазировку мощных лазерных диодов;
–– предложил, осуществил и исследовал высокочастотный импульсно-периодический режим в мощных лазерных системах, получил новый режим работы лазерного двигателя - резонансное сложение светодетонационных ударных волн;
–– предложил способ реализации сверхдлинных проводящих каналов для передачи энергии, а также обосновал использование предложенной технологии для борьбы с космическим мусором;
–– разработал физико-технические принципы и осуществил многократно воспроизводимый лазерный поджиг ракетного двигателя, работающего на экологически безопасном топливе;
–– исследовал физико-технические процессы лазерного устранения нефтяных загрязнений с поверхности воды, показал высокую эффективность разработанных методов для решения проблем экологии;
–– разработал физико-технические принципы построения высокочастотного моно-модульного дискового импульсно –– периодического лазера с параметрами, масштабируемыми до уровня в несколько десятков МВт.
Виктор Аполлонов является организатором международных конференций, членом организационных комитетов ведущих мировых симпозиумов в области мощных лазеров и их применений. Им подготовлено 32 кандидата и доктора физико-математических наук.
Лазерное лечение острых форм туберкулеза
В качестве преамбулы приведем несколько выдержек из разных источников, посвященных проблеме туберкулеза (ТБ), которые довольно странно читать в начале третьего тысячелетия, т. к. уверенно считалось что для ее решения было вполне достаточно времени в течение прошедших первых двух:
–– Симптомы ТБ –– это кашель, потеря в весе, боль в груди, температура, ночной пот. Оставаясь невылеченными, 50% пациентов умрут в течение пяти лет;
–– Больше, чем любая другая инфекционная болезнь, ТБ убивает женщин –– 1 миллион в год. Ежегодно от ТБ погибает 100000 детей, ТБ –– самая частая причина сиротства;
–– Не поддающиеся лечению бактерии могут уничтожить достигнутый прогресс борьбы с ТБ за последние 50 лет. Не существует лекарств для борьбы с некоторыми устойчивыми бактериями ТБ –– в развитых странах 50 миллионов человек могут быть инфицированы;
–– Большинство людей, инфицированных ТБ, никогда не становятся больными, потому что их иммунная система препятствует развитию ТБ-микробактерий. Только от 5 до 10% инфицированных заболевают ТБ. Ученые сегодня точно не знают, почему одни инфицированные заболевают ТБ и погибают, а другие нет;
–– По крайней мере 1 человек инфицируется ТБ каждую секунду, 1% населения земного шара инфицируется каждый год. Невылеченный человек в течение года в среднем заражает 10-15 соседей. Для крупных городов эта цифра существенно больше. Но самыми подверженными инфекции местами являются тюрьмы, армия и ВМФ, где концентрация людей, проживающих совместно длительное время, является наибольшей.
По данным ВОЗ, за последние два столетия ТБ убил около миллиарда землян. ВОЗ предупреждает: если не принять экстренных мер, то в ближайшие 10 лет ТБ унесет из жизни примерно 30 миллионов человек, и 90 миллионов заболеет. Дальше, к 2020 году зараженным уже окажется миллиард человек, из которых 200 миллионов заболеет и 70 миллионов погибнет. Вот вам и «бледная дама» –– именно так на протяжении веков называли чахотку.
Лазерные методы лечения ТБ
Лазерная полупроводниковая установка со световодом для введения излучения в пораженную область через инъекционную иглу при лечении деструктивных форм легочного и костного ТБ «АМУЛЕТ» предназначена для лечения форм легочного и костного ТБ, которые не поддаются обычному медикаментозному лечению, а также для сокращения сроков лечения обычных форм ТБ путем местного воздействия на инфицированную поверхность ультрафиолетового (УФ) излучения с длиной волны 266 нм, обладающего очень сильным бактерицидным и бактериостатическим воздействием. УФ-излучение в данном случае является низкоинтенсивным и воздействует только на микрофлору, при этом повреждения живых тканей организма человека не происходит. Типичное время воздействия УФ-излучения на пораженную область составляет 5-15 минут, при этом травматическое воздействие отсутствует.
Установка «АМУЛЕТ» предназначена для лечения больных ТБ легких, бронхов, костей, суставов, заболеваний, сопровождающихся гнойными и другими воспалительными процессами, с отклонениями от нормы процессов заживления, с отклонениями в иммунной системе организма, неустойчивостью капиллярного кровообращения и может быть использована в эндохирургии, фтизиатрии, отоларингологии, травматологии, стоматологии, лечении ожогов, гинекологии, терапии, хирургии, урологии, проктологии, дерматологии.
Приведем основные технические характеристики установки «АМУЛЕТ»
| Длина волны излучения, нм | 266 |
| Средняя мощность излучения, мВт | 2,5, 5, 10 |
| Частота повторения импульса, кГц | 10-20 |
| Длительность импульса, нс | 5-7 |
| Диаметр пучка, мм | < 0,5 |
| Вывод излучения | волоконный |
| Диаметр волокна, мкм | 400-800 |
| Потребляемая мощность от сети, 220В/50Гц, Вт | < 200 |
| Ресурс работы, ч | > 2000 |
| Охлаждение | Воздушное |
| Размеры, мм | 450х165х290 |
| Масса, кг | <12 |
Общий вид установки «АМУЛЕТ»
Сравнительный анализ использования эксимерных и твердотельных лазеров для лечения различных форм ТБ и гнойных инфекций
На данный момент времени известно два подхода к созданию лазерных комплексов для лечения ТБ. Это довольно громоздкий лазерный комплекс «Мария» на основе эксимерного лазера и установка «Амулет», базирующаяся на важных преимуществах миниатюрных твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. Пик бактериостатической активности генерируемого лазерного излучения в отношении различных форм ТБ находится на длине волны 265-266 нм, и в этом случае эффективность его воздействия равна единице. В случае эксимерного лазера ближайшая к данному диапазону длина волны излучения –– 248 нм. На этой длине волны эффективность воздействия составляет 0,8, что требует пропорционального увеличения времени облучения. Для твердотельного лазера (Nd YAG, 4-ая гармоника) длина волны излучения оказывается равной 266 нм. Эффективность воздействия для этой длины волны составляет 1.0. Энергия импульсов излучения при средней выходной мощности 10мВт равна произведению энергии в единичном импульсе на частоту следования. Мощность определена экспериментальным путем на культурах бактерий –– для времени экспозиции 10-15мин.
Для эксимерного лазера частота следования импульсов составляет не более 100 Гц, следовательно, энергия единичного импульса –– не менее 0,1 мДж, что при длительности импульса 5-10 нс может приводить к ожогу тканей. Для обеспечения «мягкого» воздействия на ткани необходимо уменьшение энергии импульса на один-два порядка, что возможно, но требует пропорционального увеличения времени экспозиции. При данных энергиях (0,1 мДж) возможно разрушение оптического световода. Световод требует высокой оптической чистоты рабочих поверхностей, что при введении его в различные полости представляется проблематичным. Разрушение выходного торца световода может привести к попаданию в организм больного обломков стекла. В твердотельном лазере частота следования импульсов оказывается на уровне 10000 Гц, следовательно, энергия единичного импульса –– 0,001мДж. Именно поэтому ожог тканей и разрушение световодов в случае установки «Амулет» принципиально невозможны.
Теперь несколько слов о сроках службы отдельных элементов лазеров. В случае эксимерного лазера основной элемент –– это газовая трубка, которая служит 1000-2000 часов при стоимости порядка $1000. При высокой энергии импульсов также возможен преждевременный выход из строя оптических элементов. В случае твердотельного лазера основной элемент –– это лазерный диод стоимостью $700-800, срок службы которого –– не менее 5000часов.
Наличие вредных факторов при работе с обсуждаемыми лазерами выглядит следующим образом. Эксимерный лазер содержит в своей конструкции значительный объем с вредным газом при высоком напряжении –– порядка 10 кВ. Твердотельный лазер не содержит в своей конструкции вредных факторов. Стоимость комплектующих при работе с обсуждаемыми лазерами представляется примерно одинаковой.
Теперь об дополнительных условиях при постановке на производство обсуждаемых лазерных источников. Эксимерный лазер при своем производстве кроме стандартного оптико-механического и радиомонтажного участков требует также и наличие вакуумного участка, оборудованного для работы с ядовитыми газами. При производстве твердотельного лазера необходимы лишь стандартные оптико-механический и радиомонтажный участки.
Клинические испытания прибора
В соответствии с постановлением комиссии по инструментам, приборам, аппаратам и материалам, применяемым в общей хирургии, Комитета по новой медицинской технике Министерства здравоохранения Российской Федерации, протокол от 22.03.2001 г № 3, и соответствующими распоряжениями начальника Главного военно-медицинского управления МО РФ (отделение эндоскопии и хирургическое ТБ отделение по лечению больных с осложненными формами ТБ легких), директора НИИ фтизиопульмонологии ММА им. И. М. Сеченова (отделение по лечению больных костно-суставным ТБ) и директора центрального НИИ ТБ РАМН (отделение ТБ легких) проведены клинические испытания опытного образца УФ-терапевтического твердотельного лазера с диодной накачкой «Амулет», созданного компанией «Энергомаштехника». Прибор позволяет получить лазерное излучение с длиной волны 266 нм и интенсивностью на выходе из световода до 10 мВт/см2, относящееся к среднему низкоэнергетическому уровню лазерного УФ-излучения.
Изучение научной литературы по применению низкоэнергетического лазерного излучения в медицине убедило в целесообразности применения данного физического метода лечения больных ТБ благодаря способности вызывать обезболивающий, противовоспалительный и противоотечный эффекты, физиологическую и репаративную регенерацию тканей.
Испытание эффективности ультрафиолетового терапевтического твердотельного лазера с диодной накачкой выполнено у 7 больных ТБ бронхов, у 4 –– ТБ гортани и у 7 –– хронической ТБ эмпиемой плевры, 14 –– больных, имеющих ТБ поражение костно-суставного аппарата, осложненного поверхностными ранами.
В ходе клинических испытаний по нашей просьбе были усовершенствованы в компании «Энергомаштехника» световоды, позволившие увеличить площадь рассеивания лазерного излучения как при эндобронхиальном, так и трансторакальном введении световода. Лазерное облучение патологически измененных тканей выполняли в фоне комплексной терапии ТБ, включающей 4-5 противотуберкулезных препарата. В процессе клинических испытаний осуществляли контроль наличия микобактерий ТБ (МБТ) в патологически измененных тканях, а также гистологическое излучение характера воспалительных изменений. Среди больных, которым лазерное облучение осуществляли через фибробронхоскоп, ТБ-процесс имел следующую локализацию и характер:
ТБ среднедолевого бронха, свищевая форма;
ТБ среднедолевого, бронха язвенная форма;
ТБ сегментарного (Б-6) бронха, инфильтративная форма;
ТБ гортани с разрушением надгортанника:
ТБ легких, каверно-торакальные свищи;
У всех больных обнаружены микобактерии ТБ. Условия облучения: интенсивность излучения постоянная, расстояние дистального конца световода от облучаемой поверхности 1-2 см, экспозиция – 30 сек. Каждому больному выполнено 8-12 сеансов лазерного облучения. В результате применения УФ-излучения терапевтического твердотельного лазера с диодной накачкой и интенсивного комплексного специфического и общеукрепляющего лечения к исходу клинических испытаний обнаружено, что устье свищевого хода очистилось от казеозных масс, при микроскопии жидкости бронхоальвеолярного смыва МБТ не обнаружены. Также визуально констатировано уменьшение признаков воспаления со стороны слизистой оболочки бронха. При гистологическом исследовании биоптата –– быстрое заживление изъявлений, формирование выраженных фиброзных изменений в слизистой оболочке бронха с признаками гиалинизации, сужение просвета бронха. У больных ТБ гортани определяется визуально уменьшение отечности и гиперемии слизистой гортани выше уровня голосовых связок, заживление эрозивно-язвенных поражений. В процессе лазерного облучения поверхностей у больных хронической ТБ эмпиемой плевры (10-12 сеансов каждому больному) констатировано уменьшение объема гнойного отделяемого и повышение кровоточивости, что мы связываем с уменьшение воспалительных изменений и улучшением местного кровообращения.
В случае костного ТБ применение УФ-излучения приводило к обильному отделению некротических и гнойных масс, что явно свидетельствует о бактерицидном и бактериостатическом действии УФ-излучения на флору. Во всех случаях после 6-12 сеансов облучения, которое проводилось ежедневно, раневая поверхность очищалась, в ране и по ее краям образовывались розовые грануляции. В эти сроки в мазках и в посеве из ран резко уменьшалось наличие или рост колоний. Это позволяло проводить хирургическую обработку ран и накладывать вторичные швы, тем самым существенно ускоряя заживление ран.
Заключения организаций Министерства здравоохранения РФ
Таким образом, выполненные клинические испытания позволяют сделать вывод о том, что УФ-терапевтический твердотельный лазер с диодной накачкой «Амулет» является эффективным физическим методом в лечении пораженных ТБ тканевых и костных поверхностей благодаря бактерицидному и бактериостатическому эффекту и стимуляции репаративных процессов. Прибор «Амулет» достоин серийного производства.
Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде»
Борьба с космическим мусором с помощью лазеров
Многозарядные ионы и их эффективные применения
Лазер на службе в ледокольном флоте
Силовая оптика и ее новые проявления
Какой режим работы лазера является максимально эффективным?
Дисковые лазеры: преимущества и перспективы
