Визиты в клинику Кана.
В следующие недели я часто посещал клинику и исследовательскую лабораторию Кана. Я смотрел, как работают лазеры, разговаривал с сотрудниками, сам осматривал оборудование и учился пользоваться им. В клинике Кана «Медитех» работали сорок пять человек, в основном клиницистов, но также конструкторов из лазерной лаборатории. Цель моих визитов заключалась в том, чтобы посмотреть, как лазеры влияют на мозг, но сначала я хотел разобраться, как они работают, и убедиться, что серьезная лазерная терапия пригодна для лечения распространенных травм и болезней.
Кан рассказал, что после того, как световая терапия помогла ему вылечить плечо, он сделал обзор всей доступной научной литературы о лазерах. Сначала он был озадачен множеством характеристик – волн разной длины и частоты, применяемых для лечения, и доз светового излучения, рекомендуемых разными клиниками и компаниями для терапии разных состояний. Потом он провел некоторое время вместе с русской ученой Тиной Кару из лаборатории лазерной биомедицины при Институте лазерных и информационных технологий РАН. Кару является одной из ведущих мировых экспертов по применению лазеров для лечения живых тканей. В 1989 году, после консультаций с Кару, он работал с инженерами политехнического института Райерсона в Торонто, где была сконструирована система лазерной терапии «Биофлекс», способная генерировать свет всевозможных характеристик и используемая как для общих, так и для клинических исследований. Потом Кан в течение нескольких лет старался определить, какие виды света оказывают благотворное воздействие на разных пациентов с учетом их цвета кожи, возраста, распределения жировой ткани и типа заболевания, и разработал многочисленные протоколы для использования лазерного оборудования.
Физика лазеров.
Акроним «лазер» в переводе с английского означает «усиление света посредством вынужденного излучения». С XVII века свет часто представляли как непрерывную волну, которая движется в пространстве таким же образом, как волны движутся по воде. (Поэтому ученые говорят о длине световой волны.) Но Альберт Эйнштейн доказал, что свет также может вести себя как частица, которую в итоге назвали фотоном. Фотон похож на миниатюрную световую частицу, его размер даже меньше, чем у атома.
Есть две основные концепции работы фотонных лазеров. Первая, знакомая всем со средней школы, основана на модели атома, предложенной физиком Нильсом Бором. В самом простом изложении: каждый атом состоит из ядра и электронов, вращающихся на разных расстояниях вокруг ядра. Если электрон находится на низкой орбите, он имеет меньшую энергию; если он находится дальше от ядра, то имеет большую энергию. (Электроны высоких энергий находятся в так называемом «возбужденном» состоянии.) Таким образом, каждая электронная орбита ассоциируется с определенным энергетическим состоянием.
В большинстве атомов количество электронов, которые находятся на низкоэнергетических внутренних орбитах (ближе к ядру), больше количества возбужденных электронов на высокоэнергетических внешних орбитах (дальше от ядра). Когда электрон переходит с высокоэнергетической орбиты на низкоэнергетическую, то происходит выброс фотона; это называется спонтанной эмиссией светового излучения. Эта спонтанная эмиссия происходит хаотично при нормальном свете (например, в типичной электрической лампочке).
Но при бомбардировке атомов с использованием внешнего источника энергии, такого как электрический ток или луч света, мы можем создавать атомы, где больше электронов находится в возбужденном высокоэнергетическом состоянии. Теперь количество электронов в возбужденном состоянии больше, чем количество электронов в спокойном состоянии на низкоэнергетических орбитах. Эта количественная инверсия является первой основной концепцией для понимания лазеров.
Вторая основная концепция – это стимуляция. В лазерах атомы искусственно стимулируются – лучше сказать, бомбардируются, – внешним источником энергии для создания количественной инверсии.
Обычно, когда атомы подвергаются энергетической бомбардировке, они испускают фотоны. Бомбардировка атомов в состоянии количественной инверсии, как это происходит в лазерах, приводит к высвобождению целой массы фотонов. Эти фотоны, в свою очередь, стимулируют соседние атомы к излучению новых фотонов, так что образуется фотонный каскад. Этот процесс ускоряется, если окружить излучающие атомы зеркалами, в результате чего излученные фотоны отражаются от зеркал, попадают в атомы с количественной инверсией и приводят к излучению все большего количества фотонов. Это и есть «усиление света посредством вынужденного излучения».
Существует много способов изготовления лазеров. Если вы заглянете внутрь лазерной указки, какие используются лекторами, или в CD-дисковод вашего компьютера, то найдете источник энергии в виде батарейки или электропроводки, которая подает электрические импульсы. Вы также обнаружите миниатюрный лазерный диод, где происходит количественная инверсия. Типичный лазерный диод состоит из «сэндвича» двух плотных материалов, частично проводящих электричество. Они называются полупроводниками.
Между двумя полупроводниками оставляется небольшой промежуток. Один полупроводник изготовлен из материала, имеющего сравнительный избыток электронов, а другой – из материала, имеющего сравнительный дефицит электронов. Количественная инверсия создается в промежутке. Когда электромагнитный импульс определенной частоты проходит через эти полупроводники, он активирует каскад светового усиления. Зеркала в промежутке между двумя полупроводниками улавливают эти фотоны и усиливают световой каскад, который фокусируется в виде лазерного луча. Точная частота излучаемого света контролируется регулировкой частоты электромагнитной энергии, подаваемой в систему[151].
Первый лазер, сконструированный Теодором Г. Мейманом в исследовательской лаборатории Хьюджеса в Малибу (Калифорния) в 1960 году, был горячим лазером. В течение одного года горячие лазеры, способные прожигать ткань, нашли применение в хирургии, частично заменив скальпели, а в 1963 году они были использованы для разрушения опухолей у подопытных животных. Лазеры приобрели широкую известность после премьеры кинофильма «Голдфингер», где есть сцена, в которой Джеймс Бонд привязан к столу, а горячий лазер, похожий на огромный блестящий шприц и испускающий тонкий луч красного цвета, угрожает разрезать его пополам.
ГОЛДФИНГЕР (не особенно впечатленный шпионским суперкаром Бонда): У меня тоже есть новая игрушка… Вы видите промышленный лазер, излучающий необычный свет, подобного которому нет в природе. Он может добить до луны. На более близком расстоянии он может резать металл. Я покажу вам…
БОНД: Хотите, чтобы я заговорил?
ГОЛДФИНГЕР (торжествующе): Нет, мистер Бонд, я хочу, чтобы вы умерли.
Как лазеры лечат живые ткани.
К 1965 году было известно, что лазеры низкой интенсивности могут оказывать целебное воздействие. Ширли Э. Карни, работавшая в Бирмингеме, продемонстрировала, что лазеры низкой интенсивности способствуют росту коллагеновых волокон в кожных покровах[152]. Коллаген – это белок, который составляет основу наших соединительных тканей, помогает им поддерживать форму и необходим для их восстановления. В 1968 году доктор Индре Местер из Будапешта доказал, что лазеры могут стимулировать рост кожной ткани у крыс, а год спустя – что лазеры могут значительно ускорить заживление ран. В середине 1970-х годов в СССР развернулись масштабные исследования и клинические эксперименты по лазерной стимуляции живых тканей. Эта методика в 1980-е годы была распространена в странах коммунистического блока, но редко встречалась на Западе.
Лишь после окончания «холодной войны» медицинские лазеры получили распространение на Западе, и только в 2002 году управление по контролю за продуктами и лекарствами одобрило первое устройство для низкоинтенсивной лазерной терапии в США.
Когда фотоны встречаются с веществом, может произойти одна из четырех вещей. Фотоны могут отразиться от вещества, пройти через него, войти в него, но рассеяться внутри, или же фотоны могут быть поглощены без особого рассеивания. Когда фотоны поглощаются живой тканью, они запускают химические реакции в светочувствительных молекулах. Разные молекулы поглощают световые волны разной длины. К примеру, красные кровяные тельца поглощают весь свет, кроме красного. У растений зеленый хлорофилл поглощает все цвета спектра, кроме зеленого.
Люди склонны думать, что светочувствительные молекулы существуют только в глазной сетчатке, но их существует как минимум четыре главных типа: родопсин (в сетчатке, поглощает свет для зрения), гемоглобин (в красных кровяных тельцах), миоглобин (в мышцах) и, самое главное, цитохром (во всех клетках). Цитохром – это чудо, объясняющее, каким образом лазеры могут исцелять так много разных болезней; он преобразует световую энергию солнца в клеточную энергию. Большинство фотонов абсорбируется митохондриями, «энергетическими фабриками» внутри клеток.
Поразительно, но наши митохондрии поглощают энергию, значавшую свой путь в 93 миллионах миль от нас, – энергию Солнца – и высвобождают ее для использования в наших клетках. Окруженные тонкой мембраной, митохондрии наполнены светочувствительным цитохромом. Когда солнечные фотоны проходят через мембрану и вступают в контакт с цитохромом, они абсорбируются и инициируют образование молекулы, запасающей энергию в наших клетках. Эта молекула, которая называется АТФ (аденозинтрифосфат), похожа на универсальную батарею, обеспечивающую энергией клетки для их нормальной работы. АТФ также дает энергию, которая может быть использована иммунной системой для восстановления клеток.
Лазерный свет активизирует выработку АТФ[153]