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光生物调节疗法

光生物调节疗法 (PBMT) 是一种基于名为光生物调节 (PBM) 的光化学过程的光疗法。在光生物调节疗法中，光源靠近或接触皮肤，光能量穿透皮肤到达受损或患病组织的线粒体，从而实现光生物调节。此流程可产生有益的治疗结果，例如疼痛缓解、炎症控制、免疫调节和促进组织再生。

正如目前在科学文献中所理解的那样，支撑光生物调节（PBM）治疗的基本原则相对简单。人们一致认为，对受损或功能失调的组织应用治疗剂量的光会导致由线粒体机制介导的细胞反应，从而减轻疼痛和炎症并加速愈合。

该过程的主要靶标（发色团）是细胞色素c复合物，其存在于细胞线粒体的内膜中。细胞色素c是驱动细胞代谢的电子传递链的重要组成部分。当光被吸收时，细胞色素c受到刺激，导致三磷酸腺苷（ATP）的产生增加，ATP是促进细胞内能量转移的分子。除ATP外，激光刺激还产生游离一氧化氮和活性氧。一氧化氮是一种强大的血管扩张剂，是参与许多生理过程的重要细胞信号分子。

活性氧已被证明会影响许多重要的生理信号通路，包括炎症反应。协同作用，这些信号分子的产生已被证明可以诱导生长因子的产生，增加细胞增殖和运动性，并促进细胞外基质沉积和促进生存途径。在细胞外，一氧化氮信号传导驱动血管舒张，从而改善受损组织中的微循环，在去除废物的同时输送氧气，重要糖，蛋白质和盐到达目标组织。

为了使PBM发生，光需要到达受损靶组织的线粒体。激光治疗应用于皮肤表面。当足够数量的光（光子数）到达目标组织时，可以获得最佳的临床结果。有许多因素可以帮助最大化到达目标组织的光。

这些包括：

• 适当的波长选择。

• 足够的激光功率。

• 减少反射。

• 并最大限度地减少不参与光生物调节的分子的吸收。

什么光波长最适合光生物调节（PBM）？

与包含宽波长范围的白光相反，激光具有特定的波长。用于测量波长的单位是纳米（nm）。已经进行了大量研究来研究黑色素，血液，脂肪和水如何吸收光，这导致研究人员定义了一个窗口或波长范围，光可以通过这些窗口或波长范围穿透生物组织。该窗口称为光学或治疗窗口。

通常，光学窗口的图以对数刻度显示，这看似最大化低于1的峰值并最小化大于1的峰值，如图1所示。在对数刻度上绘制允许绘制范围的强度。但是，数据的对数表示可能会被误解，例如，从图中查看吸收值，您可以看到低于1000 nm，水的吸光度小于0.5。

图1：不同波长的激光在不同组织（黑色素，血液，脂肪和水）中的吸收率变化。（备注：来自Hamblin MR，Demidova TN.低水平光疗的机制。扩展了SPIE光子学的进程。2006;6140: 614001-01-12.doi：10.1117/12.646294）

在线性图上可以更好地查看吸收率的差异。图2显示了线性尺度上的吸收率图。下图是450 nm和1400 nm之间区域的放大倍率。在980处有一个小峰值，但它上升到最大值0.4。吸收以皮肤中的黑色素为主。810 nm和980 nm都位于“光学窗口”中，其中其他发色团的吸收最小化。这两种波长都在治疗或光学窗口中，对激光治疗有效。由于黑色素吸收在较低波长下占主导地位，因此980nm更适合黑色素皮肤的最大渗透。

Companion的首席技术官Luis DeTaboada也对各种波长的激光穿透深度进行了建模，以进行比较。

从Hale和Querry生成的数据。200 nm至200 μm波长区域内水的光学常数。1973年应用选择;12: 555-563.图3显示了各种吸收系数作为线性尺度上波长的函数的曲线。这表明与血红蛋白，氧血红蛋白，水和脂肪相比，黑色素吸收占主导地位。通常，红光（600nm至700nm）可用于治疗皮肤表面附近的病症，但需要800nm至1000nm的光才能到达更深的组织结构。

图2（备注：从Hale和Querry生成的数据。200 nm至200 μm波长区域内水的光学常数。1973年应用选择;12: 555-563.）

组织中吸收光的主要成分是：黑色素，氧合血红蛋白，脱氧血红蛋白，脂肪，nd水。黑色素在较低波长处强烈吸收光，因此深色皮肤会吸收更多的光，特别是波长从500nm到800nm。波长超过1200nm很容易被水吸收。具有这些较长波长的激光通常用于消融手术，如手术或皮肤换肤。目前对光生物调节的理解是，波长范围为800nm至1000nm的光能够穿透皮肤和表面组织并到达下面的肌肉。伴随激光治疗仪通常发射810 nm和980 nm光的混合物。对于深色皮肤（和/或深色皮毛）的治疗选择，激光将自动切换到所有980nm光;从而最大限度地减少黑色素吸收的量。

各种吸收系数作为线性尺度上波长的函数的图。这表明与血红蛋白，氧血红蛋白，水和脂肪相比，黑色素吸收占主导地位。通常，红光（600nm至700nm）可用于治疗皮肤表面附近的病症，但需要800nm至1000nm的光才能到达更深的组织结构。

（备注：吸收系数与波长的线性图。吸收系数的数据来自俄勒冈州医学激光中心，http://omlc.org。）

什么是激光功率，

它如何影响光生物调节（PBM）？

功率似乎很简单，但在讨论激光治疗时，仅讨论输出功率并不能改变整个过程。不仅功率很重要，而且正在治疗的区域的大小也很重要。激光治疗仪的典型功率单位是瓦特（缩写为W）。功率是每秒从激光治疗仪发射的光子数量的量度。早期的治疗激光具有非常低的功率（小于0.5 W）和非常小的光束区域（或光斑尺寸）;因此，早期的研究往往令人失望，因为低能量激光无法提供足够数量的光子来到达更深的受影响组织。

美国食品和药物管理局（FDA）根据其输出功率对激光进行分类，并识别四个主要类别（I至IV）激光治疗仪，包括三个子类（IIa，IIIa和IIIb）。2003年12月，FDA批准了用于缓解轻微肌肉和关节疼痛的首款IV类激光。2006年10月，Companion的母公司LiteCure成立，FDA于2007年2月批准了LCT-1000 IV类医用激光治疗仪。Companion激光治疗仪是IV类激光治疗仪;它们的输出功率大于0.5 W。

由于IV类激光治疗仪具有较高的输出功率，因此在使用IV类激光治疗仪时应遵循一些额外的安全注意事项。眼睛安全是最重要的考虑因素，激光不应射入眼睛。医生和患者应佩戴经批准的安全眼镜，以进一步防止意外的光束反射。

重要的是要注意，Companion激光治疗仪不仅具有更高的功率，而且还具有更大的光束面积，使它们能够更好地将治疗剂量传递到更大的治疗区域。

为什么需要更高的能量？

简单地说，传递到表面的光子数量越多，任何组织深度的光子数量就越多。有一个阈值，即“打开”激光治疗效果所需的最小光子数。数百项科学研究已经在体外完成，并表征了实现细胞光反应所需的剂量。这些研究为在细胞水平上获得结果所需的激光能量提供了基线。PBM治疗是非侵入性的;光线施加到皮肤表面。其中一些光被皮肤反射或被其他发色团吸收，这些发色团与受伤的细胞无关，因此对PBM没有贡献。需要将足够的剂量施用于皮肤，以足够剂量的光子能量到达皮肤并且使PBM发生在目标组织中。

（备注：该图用红外图像说明了当激光以1瓦，5瓦和10瓦的功率施加到手掌上时，手背上看到的光量。）

功率越大，在给定的时间内对更深组织的渗透就越大。使用更高功率的激光治疗仪，不仅可以在体表发挥PBM的优势，还可以通过向组织深处的细胞提供临床上有效数量的光子来治疗越来越多的病症。

了解剂量

伴随激光不是为斑点治疗而设计的。相反，治疗区域大于光束区域，PBM治疗是通过连续运动扫描治疗头在治疗区域上来提供的。用Companion激光治疗是非侵入性的，不可能测量输送到目标组织的剂量;只能测量输送到治疗区域的剂量。

然而，我们确实从尸体解刨，动物研究和建模中知道，激光在皮肤和脂肪层中吸收到目标组织的过程中可以显着减少到达目标组织的剂量。指示激光治疗剂量的最普遍方法是测量施加到组织表面的能量密度。这通常以J/cm2表示。可以观察到临床效果的一些变化;特别是在非常高（>50W）或非常低（<1 W）的功率设置下，使用相同的J / cm2剂量。测量技术适用于典型的治疗方案，但并非绝对理想。Companion动物医疗为每个设备提供治疗指南，并针对不同的临床情况提供推荐剂量。

脉冲和频率

治疗激光可以以不同的方式脉冲。一般来说，脉冲的治疗激光治疗仪要么在超脉冲模式下工作，要么在门控模式下工作。在超脉冲模式下，大量的能量被允许在一段时间内积累起来，然后在一次巨大的能量爆发中迅速释放出来。超脉冲激光治疗仪产生非常短的高频脉冲（大约200纳秒）。脉冲具有高峰值功率（1-50 W），平均功率（例如60 mW）要低得多。

光生物调节疗法可以以连续波（CW）或脉冲模式提供。随着光生物调节疗法变得越来越流行，制造商们已经对特定的脉冲方案和特定应用的波长做出了各种各样的声明。这些声明可能具有误导性，并可能造成混淆。实际上，这些产品特定的花里胡哨更像是营销炒作，而不是科学。Hashmi等人对CW与脉冲光的综述得出结论，需要更多的证据.一般来说，脉冲的使用减少了传递到体表的光能量，从而也减少了到达患处的光能量。

配套激光治疗仪确实可以选择在脉冲模式下操作。在Companion激光治疗仪的脉冲模式下，激光治疗仪是门控的：它在关断时循环其CW功率，从而提供较低的平均输出功率。如果您正在治疗一个小区域，并希望以较低的功率治疗更长的时间，那么切换到脉冲模式将使传递到目标的有效功率和剂量降低50%。

术语表

光束面积

定义：表面上的光束面积。光束面积将取决于所使用的治疗头和治疗头与表面保持的距离。激光物理学家使用激光“光斑尺寸”代替光束面积。光斑尺寸是光束半径或光束直径，具体取决于所使用的定义。这更加复杂，因为高斯激光束的强度从中心最大值逐渐下降到边缘的0。由于没有明确定义的边缘来测量光束的半径或直径，因此“光斑尺寸”将取决于所使用的光斑尺寸定义（例如，半最大值的全宽或从最大辐照度到辐照度为1/e2的距离）。然而，通过使用PBM处理的扫描应用，光束辐照度中的任何不均匀性都会在整个治疗区域内平均。

治疗区域

定义：受治疗的皮肤表面区域。对于Companion激光治疗仪，此区域大于光束区域。

治疗时间

定义：治疗到整个治疗区域的总时间

曝光时间

定义：表面暴露于光束的时间。

对于使用Companion激光扫描治疗，覆盖整个治疗区域。假设对皮肤进行均匀处理，那么治疗期间皮肤对光束的总暴露时间与光束区域与总治疗时间的关系是光束区域与治疗区域之比。因此，ts = t x （As/At）。

功率（辐射通量）：

定义：单位时间内发射的辐射能量。

脉冲频率：

定义：当提到治疗激光时，大多数从业者使用术语频率来表示激光的脉冲频率。治疗激光可以在连续或脉冲模式下工作。脉冲频率是激光治疗仪在一秒钟内打开和关闭的次数。

占空比：

定义：该术语用于脉冲激光治疗仪。它是激光发射的一个周期的百分比。对于在脉冲模式下工作的 Companion激光治疗仪，占空比为 50%。

输送的能量：

定义：治疗期间传递的总能量是通过将治疗期间的平均功率乘以总治疗时间来确定的。

辐射：

定义：激光治疗仪的输出功率除以光束面积。皮肤表面的功率强度。

剂量：

定义：受治疗的皮肤表面区域。对于Companion激光治疗仪，此区域大于光束区域。

标准剂量学定义：

剂量 = 辐照度 x 暴露时间 = E x ts

单位：焦耳/cm2 = J/cm2

为了计算扫描过程中递送的剂量：

首先，我们假设治疗光束是均匀的。

在这种情况下，辐照度将是功率除以光束面积，E = F / As.

曝光时间ts = t x（As / At）。

将这些放在一起：剂量= 辐照度 x 曝光时间

= （F/As） t （As/At）

= F t /At

这是输送的总能量除以总治疗面积。

对于Companion激光治疗仪，剂量将是传递到该区域的总能量除以其传递到的总面积（皮肤表面积）。这假设扫描均匀地覆盖治疗区域，以均匀地分配到组织。通过均匀扫描整个区域，可以对整个治疗区域的光束中的任何不均匀性求平均值。

波长：

定义：电磁波的两个连续峰值之间的距离。

术语表术语和定义

术语：三磷酸腺苷缩写或其他术语：ATP

定义：细胞中运输化学能进行代谢的分子。

术语：发色团

定义：分子中捕获光能的部分。

术语：连续波缩写或使用的其他术语：CW

定义：以恒定输出功率运行的激光治疗仪

术语：细胞色素 c

定义：线粒体中电子传递链的一种成分。

术语：电磁辐射

定义：某些电磁过程释放的辐射能。电磁辐射包括无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线辐射、X射线和伽马射线。另请参见电磁频谱。

术语：电磁波谱

定义：电磁辐射的波长范围和频率（见下图）。

术语：内源性

定义：生长或起源于生物体内

术语：线粒体（pl.线粒体）

定义：在大多数细胞中大量发现的细胞器，其中发生呼吸和能量产生的生化过程。

术语：近红外（NIR）窗口缩写或其他使用术语：治疗或光学窗口

定义：从650nm到1350nm的波长范围，其中光在生物组织中具有最大的穿透深度（见下图）。访问波长选择页面，了解有关吸收率的详细信息，并查看各种吸收系数作为线性尺度上波长的函数。

术语：一氧化氮氮缩写或使用的其他术语：NO

定义：参与许多生理和病理过程的重要细胞信号分子

术语：方案

定义：预定义的治疗序列编程到激光软件中

术语：活性氧 缩写或其他使用的术语：ROS

定义：含有氧的化学反应分子。

术语：血管舒张

定义：血管增宽，从而导致血流量增加。

光生物调节疗法介绍视频

Companion 学术研讨会预告