Παλμικό έναντι συνεχούς PBM: ο χρόνος ως δόση

Σύντομη απάντηση: το συνεχές κύμα (CW) παραδίδει μια σταθερή ροή φωτονίων· το παλμικό κύμα (PW) παραδίδει την ίδια ενέργεια σε εκρήξεις. Αυτή η διαφορά προσθέτει στη δόση τη συχνότητα, το πλάτος παλμού, τον κύκλο λειτουργίας και την ισχύ αιχμής, και σε πειράματα με ίση ενέργεια αυτές οι πρόσθετες παράμετροι έχουν μετακινήσει τα κυτταρικά αποτελέσματα και προς τις δύο κατευθύνσεις. Το παλμικό PBM ανήκει σε έναν δεύτερο άξονα της δόσης, δίπλα στον άξονα που οι περισσότεροι μετρούν ήδη.

Δύο συσκευές πάνω στον πάγκο. Και οι δύο εκπέμπουν στα 808 nm. Και οι δύο προδιαγράφονται στα 10 J/cm². Και οι δύο φέρουν την ίδια τιμή ισχύος στο περίβλημα. Τις βάζετε στην ίδια κυτταρική σειρά για τον ίδιο χρόνο θεραπείας και οι μετρήσεις του ATP δεν συμφωνούν.

Το ερώτημα του παλμού δεν είναι εξωτικό. Το IPL σημαίνει intense pulsed light, δηλαδή έντονο παλμικό φως, οπότε κάθε συσκευή αποτρίχωσης που βγαίνει από τις γραμμές παραγωγής αυτού του ιστότοπου εξαρτάται ήδη από μια απόφαση για το πώς τεμαχίζεται το φως σε εκρήξεις, και οι παράμετροι πίσω από αυτή την απόφαση σπάνια φτάνουν σε ένα φύλλο προδιαγραφών. Για την εκδοχή που απευθύνεται στον καταναλωτή, σχετικά με το πώς υποτίθεται ότι λειτουργεί αυτό το φως, δείτε τι είναι στην πραγματικότητα η αποτρίχωση με IPL.

Τίποτα σε αυτή τη μονογραμμική περιγραφή της δόσης δεν προβλέπει προς τα πού θα γείρει το αποτέλεσμα, επειδή η περιγραφή δεν ήταν ποτέ πλήρης. Η πυκνότητα ενέργειας λέει πόση ενέργεια έφτασε ανά μονάδα επιφάνειας. Δεν λέει τίποτα για το αν αυτή η ενέργεια έφτασε ως συνεχής ροή ή ως αλληλουχία εκρήξεων, και δεν λέει τίποτα για το πώς διαμορφώθηκαν αυτές οι εκρήξεις.

Τι αλλάζει πραγματικά όταν το φως τεμαχίζεται σε παλμούς

Το CW σημαίνει ότι ο εκπομπός μένει αναμμένος για ολόκληρη τη θεραπεία. Το PW σημαίνει ότι ανάβει και σβήνει με καθορισμένο κύκλο, οπότε τέσσερις νέες παράμετροι μπαίνουν στην προδιαγραφή:

Παράμετρος	Τι ελέγχει
Συχνότητα	Πόσοι παλμοί συμβαίνουν ανά δευτερόλεπτο
Πλάτος παλμού	Πόσο διαρκεί κάθε μεμονωμένος παλμός
Κύκλος λειτουργίας	Το κλάσμα κάθε κύκλου στο οποίο ο εκπομπός είναι πραγματικά αναμμένος
Ισχύς αιχμής	Η στιγμιαία ισχύς όσο ο παλμός είναι αναμμένος
Μέση ισχύς	Η ισχύς κατά μέσο όρο σε ολόκληρο τον κύκλο, μαζί με τον χρόνο που μένει σβηστός

Η μέση ισχύς και η ισχύς αιχμής συνδέονται, αν οι παλμοί είναι περίπου ορθογώνιοι:

μέση ισχύς ≈ ισχύς αιχμής × κύκλος λειτουργίας

Ισχύς αιχμής 100 mW με κύκλο λειτουργίας 10 % δίνει κατά μέσο όρο 10 mW. Ένας συνεχής εκπομπός που λειτουργεί στα 10 mW δίνει επίσης κατά μέσο όρο 10 mW. Ίδιος αριθμός στο φύλλο δεδομένων, εντελώς διαφορετικό ερέθισμα στον ιστό.

Αυτή η αριθμητική είναι ο λόγος που το «100 mW» δεν μπορεί από μόνο του να περιγράψει ένα παλμικό πρωτόκολλο. Δύο συσκευές μπορούν να τυπώσουν τον ίδιο αριθμό και να παραδώσουν ισχύ αιχμής που διαφέρει κατά μία τάξη μεγέθους. Η μία παραδίδει έναν ήπιο, συνεχή ρυθμό ενέργειας· η άλλη παραδίδει σύντομες, έντονες εκρήξεις χωρισμένες από σκοτεινά διαστήματα, και ο μέσος όρος το κρύβει. Πέσαμε στο ίδιο κενό αναφοράς από την άλλη πλευρά, όταν βάλαμε μια καταναλωτική συσκευή IPL σε μετρητή ισχύος και μετρήσαμε τι παρέδιδε στην πραγματικότητα η ετικέτα: από πού προέρχονται τα 28 joules.

Το παλμικό δεν σημαίνει κρύο

Το διαισθητικό επιχείρημα υπέρ των παλμών είναι θερμικό. Ο παλμός δημιουργεί κενά, τα κενά επιτρέπουν στη θερμότητα να διαχυθεί, και η διάχυση περιορίζει την αύξηση της θερμοκρασίας. Ο συλλογισμός στέκει μέχρι εκεί που φτάνει, αλλά ολισθαίνει προς έναν ισχυρισμό που δεν αντέχει.

Ο παλμός δεν είναι απουσία θέρμανσης. Η φωτοβιοδιαμόρφωση περιγράφεται συνήθως ως μη θερμική ή χαμηλής θερμότητας, και αυτή η περιγραφή αφορά το επιδιωκόμενο καθεστώς, όχι μια εγγύηση για τον ιστό. Τα φωτόνια που απορροφώνται γίνονται θερμότητα, και η επακόλουθη αύξηση της θερμοκρασίας εξαρτάται από τη μέση ισχύ, τον κύκλο λειτουργίας, το πλάτος παλμού, τον συνολικό χρόνο θεραπείας, την επιφάνεια της κηλίδας και τις θερμικές ιδιότητες του συγκεκριμένου ιστού. Στις συσκευές αποτρίχωσης αυτός είναι ακριβώς ο λόγος που υπάρχει η ψύξη επαφής με sapphire, και που η στοίβα ψύξης μετράει περισσότερο από την ονομαστική τιμή των αναλαμπών στο κουτί: τι κάνει στην πραγματικότητα η ψύξη με sapphire.

Καλύτερη διατύπωση: η αλλαγή της χρονικής κατανομής με την οποία παραδίδονται τα φωτόνια αλλάζει τον τρόπο που συσσωρεύεται η θερμότητα. Αυτός είναι ένας ισχυρισμός που μπορεί να ελεγχθεί. Το «το παλμικό φως δεν θερμαίνει» δεν είναι, και ένα παλμικό πρωτόκολλο υψηλής ισχύος αιχμής με μεγάλο χρόνο θεραπείας μπορεί να εναποθέσει περισσότερη θερμότητα από ένα μετριοπαθές πρωτόκολλο CW.

Η συχνότητα εμφανίζεται στα δεδομένα των κυττάρων

Αν ο μόνος ρόλος του παλμού ήταν η διαχείριση της θερμότητας, αυτό θα ήταν ένα θέμα θερμικής μηχανικής και τίποτα παραπάνω. Τα πειράματα σε κύτταρα δείχνουν κάπου αλλού.

Ο Kim και οι συνεργάτες του συνέκριναν συνεχές 810 nm με παλμικό 810 nm σε διάφορες συχνότητες σε ανθρώπινα βλαστοκύτταρα οδοντικού πολφού. Υπό τις συνθήκες της μελέτης τους η συχνότητα είχε σημασία: διαφορετικές συχνότητες παλμών παρήγαγαν διαφορετικές βιοενεργητικές αποκρίσεις, με τα παλμικά σκέλη να αποκλίνουν από το συνεχές αντί απλώς να το ενισχύουν. Το σκέλος των 300 Hz εμφάνισε την πιο έντονη μετατόπιση στις δραστικές μορφές οξυγόνου και σε αρκετούς άλλους βιολογικούς δείκτες.

Το αποτέλεσμα που αξίζει να κρατήσετε είναι το εξής: με την ενέργεια να παραμένει περίπου σταθερή, η αλλαγή της συχνότητας παλμών άλλαξε τη βιολογική απόκριση με μετρήσιμο τρόπο. Αυτό βάζει τη συχνότητα στο σύνολο παραμέτρων του PBM ως υποψήφια ανεξάρτητη μεταβλητή, δίπλα στο μήκος κύματος και στην πυκνότητα ενέργειας, αντί πίσω από αυτά ως μια ακόμη ρύθμιση της συσκευής.

Κύκλος λειτουργίας: ίδια μέση ισχύς, άνιση στιγμή

Αυτή είναι η παράμετρος που παραλείπεται πιο συχνά.

Πάρτε δύο πρωτόκολλα, και τα δύο με μέσο όρο 10 mW. Το πρωτόκολλο Α είναι συνεχές στα 10 mW. Το πρωτόκολλο Β είναι 100 mW αιχμής με κύκλο λειτουργίας 10 %. Αναφερόμενα ως μέση ισχύς, είναι πανομοιότυπα. Τη στιγμή του ερεθισμού δεν μοιράζονται τίποτα. Το πρωτόκολλο Β συγκεντρώνει την ίδια ενέργεια σε σύντομα παράθυρα υψηλού πλάτους και μετά σβήνει.

Ο Tang και οι συνεργάτες του δοκίμασαν ερυθρό και εγγύς υπέρυθρο φως στα 660 nm και στα 850 nm σε κύτταρα νευροβλαστώματος, σε ένα εύρος συχνοτήτων παλμών και κύκλων λειτουργίας, έναντι συνεχούς έκθεσης. Η βιωσιμότητα των κυττάρων, το ATP, οι δραστικές μορφές οξυγόνου και το δυναμικό της μιτοχονδριακής μεμβράνης έδειξαν όλα ευαισθησία στη συχνότητα παλμών, και η αλλαγή του κύκλου λειτουργίας σε σταθερή συχνότητα μετακίνησε ξανά αυτούς τους δείκτες.

Διαβάστε το ως περιορισμό στην ερμηνεία. Όταν μια εργασία αναφέρει «850 nm, 10 mW/cm²», η επόμενη ερώτηση είναι αν αυτός ο αριθμός είναι συνεχής ένταση ακτινοβολίας ή μέσος όρος σε μια αλληλουχία παλμών. Αν είναι μέσος όρος, το αποτέλεσμα δεν είναι αναπαραγώγιμο χωρίς την ισχύ αιχμής, τη συχνότητα, τον κύκλο λειτουργίας και το πλάτος παλμού. Τέσσερις αριθμοί, όχι ένας.

Η υψηλότερη ισχύς αιχμής δεν αγοράζει βαθύτερη διείσδυση

Η αλυσίδα του συλλογισμού πάει κάπως έτσι: ο παλμός ανεβάζει την ισχύ αιχμής, η υψηλότερη ισχύς σημαίνει πιο ισχυρό φως, το πιο ισχυρό φως διεισδύει βαθύτερα, άρα το παλμικό PBM θεραπεύει βαθύτερους ιστούς. Κάθε βήμα ακούγεται εύλογο. Η αλυσίδα σπάει στον δεύτερο κρίκο.

Η μεταφορά του φωτός στον ιστό διέπεται από την απορρόφηση και τη σκέδαση στο μήκος κύματος που χρησιμοποιείται, από τη σύσταση του ιστού πάνω στη διαδρομή και από τη γεωμετρία της δέσμης. Η παράδοση της ίδιας συνολικής ενέργειας σε συντομότερες εκρήξεις ανεβάζει τη στιγμιαία ισχύ στην επιφάνεια χωρίς να αλλάζει τις οπτικές ιδιότητες όσων βρίσκονται από κάτω. Η ισχύς αιχμής δεν είναι αντιπροσωπευτικό μέτρο του βάθους διείσδυσης. Το μήκος κύματος είναι η μεταβλητή που κινεί πραγματικά τη διείσδυση, γι’ αυτό η διαφορά ανάμεσα σε ένα παράθυρο 510–1200 nm και σε ένα 610–1200 nm δεν είναι καλλωπιστική: πώς το εύρος μήκους κύματος αλλάζει το τι φτάνει στον θύλακα.

Ο Ando και οι συνεργάτες του συνέκριναν συνεχές 810 nm με παλμικό 810 nm στα 10 Hz και στα 100 Hz σε μοντέλο τραυματικής εγκεφαλικής βλάβης σε ποντίκια, κρατώντας την πυκνότητα μέσης ισχύος, τον χρόνο θεραπείας και την πυκνότητα ενέργειας ίσα σε όλα τα σκέλη. Η ομάδα των παλμών στα 10 Hz τα πήγε καλύτερα σε ορισμένες νευρολογικές και ιστολογικές μετρήσεις. Αξιοσημείωτο είναι ότι η βελτίωση δεν χρειάστηκε κάποια ιστορία διείσδυσης για να εξηγηθεί: με την πυκνότητα μέσης ισχύος ίδια, τα παλμικά σκέλη δεν παρέδιδαν περισσότερο φως στον ιστό με καμία απλή έννοια. Κάτι στη χρονική δομή άλλαξε την απόκριση.

Πού κερδίζει το συνεχές κύμα

Αυτό είναι το μέρος που μένει έξω από τις περιλήψεις που επικεντρώνονται στους παλμούς.

Ο Khalaj και οι συνεργάτες του συνέκριναν εγγύς υπέρυθρο CW με παλμικό εγγύς υπέρυθρο σε ανθρώπινους ινοβλάστες ούλων και βρήκαν το συνεχές κύμα πιο αποτελεσματικό για τον πολλαπλασιασμό και τη μετανάστευση των κυττάρων σε μια συγκεκριμένη συνθήκη 5,2 J/cm². Αυτό είναι αποτέλεσμα in vitro υπό τις δικές τους παραμέτρους. Είναι επίσης ένα άμεσο αντιπαράδειγμα σε κάθε γενικό ισχυρισμό ότι το παλμικό υπερτερεί του συνεχούς.

Ο Keshri και οι συνεργάτες του, δουλεύοντας σε ανοσοκατεσταλμένους αρουραίους με δερματικά τραύματα, βρήκαν ότι συγκεκριμένες παράμετροι παλμικού 810 nm βελτίωσαν τα αποτελέσματα της επούλωσης σε σχέση με τα σκέλη σύγκρισης. Αν τα βάλετε δίπλα στο αποτέλεσμα με τους ινοβλάστες, η έντιμη σύνοψη είναι ότι η βιβλιογραφία έχει το παλμικό να κερδίζει σε ορισμένα παρασκευάσματα και το συνεχές να κερδίζει σε άλλα.

Γιατί το ίδιο μήκος κύματος δίνει διαρκώς διαφορετικές απαντήσεις

Το PBM εξαρτάται από τις παραμέτρους με τρόπο που λίγες θεραπευτικές μέθοδοι έχουν. Αλλάξτε μία μεταβλητή και το αποτέλεσμα μπορεί να αντιστραφεί. Σε σταθερό 808 nm μπορείτε ακόμη να αλλάξετε την ένταση ακτινοβολίας (χαμηλή έναντι υψηλής), τον χρόνο θεραπείας, την πυκνότητα ενέργειας, τη λειτουργία, τη συχνότητα παλμών και τον κύκλο λειτουργίας. Ακόμη και με ίση συνολική ενέργεια, 10 J που παραδίδονται συνεχώς και 10 J που παραδίδονται ως αλληλουχία παλμών δεν είναι το ίδιο ερέθισμα.

Πρόκειται για την ίδια διφασική συμπεριφορά που η βιβλιογραφία της φωτοβιοδιαμόρφωσης έχει τεκμηριώσει για την ίδια τη δόση (Huang et al., 2009), επεκτεταμένη ένα επίπεδο βαθύτερα. Η διφασική απόκριση στη δόση λέει ότι περισσότερη ενέργεια δεν είναι μονότονα καλύτερη. Η βιβλιογραφία των παλμών προσθέτει ότι και το πρόγραμμα με το οποίο παραδίδεται η ενέργεια μεταφέρει πληροφορία.

Βάλτε τα μαζί και η δόση είναι τουλάχιστον δύο πράγματα στοιβαγμένα:

• ένα χωρικό και ενεργειακό στρώμα: μήκος κύματος, μέγεθος κηλίδας, ένταση ακτινοβολίας, πυκνότητα ενέργειας
• ένα χρονικό στρώμα: συχνότητα, πλάτος παλμού, κύκλος λειτουργίας, ισχύς αιχμής, μέση ισχύς, χρόνος θεραπείας

Πώς μοιάζει ένα πλήρες σύνολο παραμέτρων PBM

Αν συγκρίνετε δύο μελέτες ή δύο συσκευές, αυτά είναι το ελάχιστο που πρέπει να ταιριάζει προτού σημαίνει κάτι η σύγκριση.

Παράμετρος	Γιατί χρειάζεται
Μήκος κύματος	Καθορίζει τη συμπεριφορά απορρόφησης και σκέδασης
Ισχύς εξόδου	Βάση για όλα τα επόμενα
Ένταση ακτινοβολίας	Καθορίζει τον ρυθμό ενέργειας στην επιφάνεια
Πυκνότητα ενέργειας	Συνολική ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας
Μέγεθος κηλίδας	Γεωμετρία της δέσμης και της παραδιδόμενης περιοχής
Συχνότητα	Αριθμός παλμών ανά δευτερόλεπτο, αν είναι παλμικό
Κύκλος λειτουργίας	Κλάσμα κάθε κύκλου στο οποίο ο εκπομπός είναι αναμμένος, αν είναι παλμικό
Πλάτος παλμού	Διάρκεια ενός μεμονωμένου παλμού, αν είναι παλμικό
Χρόνος θεραπείας	Διάρκεια μιας συνεδρίας
Συνεδρίες	Αριθμός και χρονική απόσταση των θεραπειών

Για τις παλμικές συσκευές, η αναφορά μόνο της μέσης ισχύος είναι η πιο συχνή αποτυχία. Ένας αναγνώστης μπορεί να υπολογίσει τη μέση ισχύ από την ισχύ αιχμής και τον κύκλο λειτουργίας, αλλά όχι το αντίστροφο. Χωρίς ισχύ αιχμής, συχνότητα και κύκλο λειτουργίας, το πρωτόκολλο δεν είναι αναπαραγώγιμο και το αποτέλεσμα δεν μπορεί να αποδοθεί σε έναν μηχανισμό. Η πλευρά του ιστού σε αυτή την εξίσωση ποικίλλει όσο και η πλευρά της συσκευής, γι’ αυτό οι ίδιες παράμετροι προσγειώνονται διαφορετικά ανά τύπο Fitzpatrick και ανά περιοχή: παρενέργειες του IPL ανά τύπο δέρματος.

Τι να κάνετε με αυτό

Αν συγκρίνετε συσκευές PBM, ξεκινήστε αρνούμενοι να αντιμετωπίζετε τον αριθμό της ισχύος ως προδιαγραφή. Ρωτήστε αν είναι ισχύς αιχμής ή μέση τιμή. Μετά ζητήστε τις χρονικές παραμέτρους, και αντιμετωπίστε την απουσία τους ως κενό και όχι ως λεπτομέρεια. Η ίδια πειθαρχία ισχύει και για τις καταναλωτικές συσκευές αποτρίχωσης, όπου το φύλλο προδιαγραφών τείνει να διαφημίζει έναν αριθμό αναλαμπών αντί για τη μηχανική του φωτός και της θερμότητας που καθορίζει το πώς νιώθει τελικά η θεραπεία: γιατί η επίστρωση μετράει περισσότερο από τον αριθμό των αναλαμπών, και πώς μοιάζει μια στοίβα φίλτρων μετρημένη στο εργαστήριο όταν δοκιμάζονται επτά από αυτές δίπλα δίπλα αντί να περιγράφονται σε ένα διαφημιστικό φυλλάδιο: η έκθεση δοκιμής του φίλτρου long-pass.

Αν διαβάζετε μια μελέτη, ελέγξτε αν αναφέρθηκε το χρονικό στρώμα. Μια ενότητα μεθόδων που δίνει 808 nm και 10 J/cm² έχει περιγράψει περίπου τη μισή δόση.

Αν τρέχετε πειράματα, αναφέρετε και τα δύο στρώματα. Όποιος κρίνει αν μια συσκευή είναι ασφαλής για χρήση στο σπίτι παίρνει απόφαση ακριβώς πάνω σε αυτές τις παραμέτρους, γι’ αυτό η εκδοχή αυτού του επιχειρήματος για τον καταναλωτή ζει στον πυλώνα μας για την ασφάλεια: είναι ασφαλής η αποτρίχωση με IPL.

Ίδιο μήκος κύματος δεν σημαίνει ίδια θεραπεία. Ίδια συνολική ενέργεια δεν σημαίνει ίδιο ερέθισμα. Στις μεταβλητές που κρίνουν το αποτέλεσμα περιλαμβάνεται το πότε έφτασε η ενέργεια και το πώς διαμορφώθηκε στην πορεία προς τα μέσα. Αν θέλετε να δείτε πώς προσδιορίζονται αυτές οι μεταβλητές στις πλατφόρμες που κατασκευάζουμε, η σειρά συσκευών παραθέτει την πυκνότητα ενέργειας, το μέγεθος κηλίδας και τη διαμόρφωση παλμών για κάθε μοντέλο.

Αναφορές

1. Kim HB, Baik KY, Choung PH, Chung JH. Pulse frequency dependency of photobiomodulation on the bioenergetic functions of human dental pulp stem cells. Scientific Reports 2017;7:15927. PMC5698451 · PubMed 29162863
2. Tang L, Qin H, Lin S, Liu M. Effects of Pulsed Red and Near-Infrared Light on Neuroblastoma Cells: Pilot Study on Frequency and Duty Cycle. Photonics 2023;10(3):315. doi:10.3390/photonics10030315
3. Ando T, Xuan W, Xu T, et al. Comparison of Therapeutic Effects between Pulsed and Continuous Wave 810-nm Wavelength Laser Irradiation for Traumatic Brain Injury in Mice. PLoS ONE 2011;6(10):e26212. doi:10.1371/journal.pone.0026212
4. Keshri GK, Gupta A, Yadav A, Sharma SK, Singh S. Photobiomodulation with Pulsed and Continuous Wave Near-Infrared Laser (810 nm, Al-Ga-As) Augments Dermal Wound Healing in Immunosuppressed Rats. PLoS ONE 2016;11(11):e0166705. doi:10.1371/journal.pone.0166705
5. Khalaj S, Iranpour B, Hodjat M, et al. Photobiomodulation effects of pulsed and continuous wave near-infrared laser on the proliferation and migration of human gingival fibroblasts: An in vitro study. Photochemistry and Photobiology 2023;100:225–232. doi:10.1111/php.13816
6. Zein R, Selting W, Hamblin MR. Review of light parameters and photobiomodulation efficacy: dive into complexity. Journal of Biomedical Optics 2018;23(12):120901. doi:10.1117/1.JBO.23.12.120901
7. Huang YY, Chen AC, Carroll JD, Hamblin MR. Biphasic dose response in low level light therapy. Dose-Response 2009;7(4):358–383. PubMed 20011653