Negli ultimi anni si è diffusa l’idea secondo cui, nella fotobiomodulazione, la luce laser non avrebbe particolari vantaggi rispetto alla luce incoerente emessa dai LED. Questa posizione nasce da un’assunzione apparentemente semplice: ciò che conta nei sistemi biologici sarebbe soltanto l’assorbimento dei fotoni da parte dei cromofori cellulari. Se il meccanismo di interazione luce-tessuto fosse riconducibile unicamente a questa prospettiva, non vi sarebbe alcuna differenza tra la luce emessa da un laser (coerente) e quella di una sorgente incoerente come un LED.
Tuttavia, questa interpretazione trascura alcuni fenomeni fisici fondamentali legati alla coerenza della radiazione laser, che possono avere implicazioni rilevanti soprattutto quando si cerca di raggiungere tessuti più profondi.
Una delle caratteristiche fondamentali della luce laser è la coerenza. In termini semplici, la coerenza descrive il grado di ordine e sincronizzazione delle onde elettromagnetiche che compongono un fascio di luce.
La luce emessa da sorgenti comuni, come i LED, è costituita da onde luminose generate in modo indipendente. Di conseguenza, le onde risultano sfasate tra loro, con direzioni, fasi e frequenze che variano continuamente. Questo tipo di radiazione viene definito incoerente.
Nel caso del laser, invece, il processo di emissione stimolata fa sì che i fotoni vengano prodotti in modo altamente coordinato. Le onde luminose risultano quindi sincronizzate tra loro, con la stessa frequenza e con una relazione di fase ben definita. In altre parole, i fotoni che compongono il fascio laser oscillano in modo ordinato, come se facessero parte di un’unica onda elettromagnetica estesa.
Questa proprietà conferisce alla luce laser alcune caratteristiche fisiche peculiari, tra cui:
· alta direzionalità, cioè la capacità di propagarsi con una divergenza molto ridotta;
· spettro molto stretto, quindi una lunghezza d’onda ben definita;
· capacità di generare interferenza, fenomeno che si manifesta, ad esempio, nella formazione dei cosiddetti pattern di speckle quando la luce coerente attraversa un mezzo diffondente.
Dal punto di vista della fisica della luce, la coerenza può essere descritta sotto due aspetti principali: coerenza temporale e coerenza spaziale.
La coerenza temporale riguarda la stabilità della fase dell’onda nel tempo ed è strettamente legata alla larghezza dello spettro della sorgente luminosa. Una radiazione con spettro molto stretto, come quella prodotta da molti laser, mantiene una relazione di fase ben definita per tempi relativamente lunghi.
La coerenza spaziale, invece, descrive il grado di correlazione tra le onde luminose in punti diversi dello spazio. Una sorgente con elevata coerenza spaziale produce fronti d’onda altamente ordinati e può generare fenomeni di interferenza ben definiti, come i tipici pattern di speckle.
Fonte: “Electromagnetic Radiation: Lasers and Light.” (2008).
La capacità di generare interferenza rappresenta uno degli aspetti più interessanti quando si analizza l’interazione tra luce laser e tessuti biologici. Come vedremo a breve, la propagazione della luce coerente nei tessuti non elimina completamente questa proprietà, ma la trasforma in una distribuzione complessa di intensità e polarizzazione che può avere implicazioni rilevanti per i processi di fotobiomodulazione.
Uno dei punti più interessanti, infatti, riguarda una convinzione molto diffusa ma scientificamente scorretta: l’idea che la luce laser perda completamente la coerenza quando entra nei tessuti biologici a causa della diffusione. In realtà non è così: la diffusione riduce la coerenza, ma non la elimina.
Un semplice esperimento descritto in letteratura lo dimostra in modo molto intuitivo: se un raggio laser attraversa un mezzo diffondente, come uno strato di tessuto (ad esempio carne macinata compressa tra due lastre di vetro), sul lato opposto compare ancora il tipico pattern di speckle, ossia il reticolo granulare di interferenza caratteristico della luce coerente. Se al posto del laser si utilizza una sorgente luminosa incoerente, come una torcia, questo pattern non compare. Ciò dimostra che la coerenza non viene annullata dal tessuto, ma semplicemente ridotta e riorganizzata.
La macchia in alto a sinistra proviene dal laser He-Ne, mentre quella in basso a destra proviene dalla torcia. Entrambe le macchie risultano rosse dopo il passaggio attraverso la carne, il che mostra che la luce rossa possiede la migliore capacità di penetrazione tra le lunghezze d’onda della luce visibile. La radiazione infrarossa penetra ancora meglio.
La figura mostra che la coerenza della luce laser non viene persa mentre la luce attraversa la carne. Gli speckles laser sono chiaramente visibili ed è evidente che esiste una differenza tra la luce laser e la luce proveniente da una torcia.
Fonte: Hode, Tomas & Duncan, Donald & Kirkpatrick, Sean & Jenkins, Peter & Hode, Lars. (2009). The importance of coherence in phototherapy.
La presenza di coerenza residua genera all’interno dei tessuti un fenomeno chiamato campo di speckle tridimensionale. In questo campo la luce non è distribuita uniformemente: si formano microscopiche regioni di interferenza costruttiva in cui l’intensità può essere significativamente più elevata della media. Simulazioni fisiche mostrano che in queste microregioni l’intensità può raggiungere valori fino a circa cinque volte superiori all’intensità media del fascio.
Questo aspetto diventa particolarmente rilevante nei tessuti profondi; man mano che la luce penetra nel corpo, l’intensità media diminuisce rapidamente a causa dell’assorbimento e della diffusione. Quando l’intensità media scende sotto la soglia necessaria per attivare una risposta fotobiologica, una sorgente incoerente non è più in grado di produrre effetti diretti. Al contrario, nel caso della luce coerente, alcune microregioni generate dallo speckle possono ancora superare localmente la soglia di attivazione. In questo modo la luce laser può risultare efficace anche a profondità dove la luce incoerente non raggiunge più livelli sufficienti.
Per una determinata soglia di densità di potenza (ad esempio 5 mW/cm²), esisterà una profondità alla quale l’intensità media della luce diventa inferiore alla densità di potenza necessaria affinché si verifichino effetti fototerapeutici. Tuttavia, nel caso della luce coerente (dove è presente un campo di speckle), esisteranno singoli speckle con intensità fino a 5 volte superiori all’intensità media. Ciò significa che tessuti situati più in profondità rispetto al punto in cui la densità di potenza media scende sotto la soglia saranno comunque esposti a densità di potenza superiori alla soglia fototerapeutica.
In altre parole, la profondità di penetrazione effettiva delle sorgenti luminose coerenti (cioè i laser) è maggiore rispetto a quella delle sorgenti non coerenti (ad esempio i LED).
Fonte: Hode, Tomas & Duncan, Donald & Kirkpatrick, Sean & Jenkins, Peter & Hode, Lars. (2009). The importance of coherence in phototherapy.
Un secondo elemento spesso trascurato riguarda la polarizzazione. Alcuni dispositivi basati su tecnologia LED introducono filtri o lenti polarizzatrici. Tuttavia, la fisica dell’interazione luce-tessuto suggerisce che la polarizzazione prodotta da una semplice lente non è equivalente a quella generata da una sorgente coerente.
Nel caso della luce laser, infatti, la formazione dello speckle produce microregioni localmente polarizzate all’interno del tessuto, in maniera del tutto indipendente dal fatto che la luce di ingresso sia o meno polarizzata. In altre parole, la polarizzazione non dipende soltanto dalle caratteristiche della sorgente, ma emerge spontaneamente come conseguenza dell’interferenza tra onde coerenti che si propagano in un mezzo diffondente. Questo porta a una distribuzione complessa e dinamica di stati di polarizzazione all’interno del tessuto.
Questo aspetto può essere biologicamente rilevante perché l’assorbimento della luce da parte di molte molecole dipende anche dall’orientamento dei loro dipoli elettrici rispetto al campo elettromagnetico incidente. Quando la direzione della polarizzazione della luce è favorevole rispetto al dipolo molecolare del cromoforo, la probabilità di assorbimento del fotone può aumentare significativamente.
Considerando insieme la distribuzione di intensità generata dallo speckle e gli effetti di polarizzazione locale, la probabilità di assorbimento fotonico può aumentare di diversi ordini di grandezza rispetto a quanto avviene con una sorgente incoerente.
Questa osservazione apre una prospettiva interessante se la si mette in relazione con alcuni concetti di elettrofisica dei sistemi dielettrici. In particolare, il fenomeno dell’induzione dielettrica, secondo cui un campo elettrico variabile può indurre nei materiali isolanti una polarizzazione interna della struttura molecolare, anche in assenza di correnti di conduzione.
In questo quadro interpretativo, i fenomeni di interferenza e di polarizzazione locale generati dalla propagazione della luce coerente nei tessuti potrebbero non rappresentare semplicemente effetti ottici secondari, ma costituire una modalità più profonda di interazione tra campo elettromagnetico e materia vivente. Già nell’ingegneria elettromagnetica classica, a partire dai lavori di Oliver Heaviside e Charles Proteus Steinmetz, la polarizzazione dei materiali e l’induzione dielettrica sono state riconosciute come aspetti fondamentali dell’interazione tra campi elettrici e sistemi materiali. Questa prospettiva è stata successivamente ripresa da Eric Dollard, che ha sottolineato il ruolo fondamentale dell’induzione dielettrica, riformulando la teoria dell’elettricità secondo una prospettiva più in linea con l’ingegneria elettrica classica.
Considerando che i tessuti biologici sono costituiti in larga parte da acqua e strutture molecolari fortemente polarizzabili, è plausibile ipotizzare che la luce coerente possa indurre nei tessuti forme di polarizzazione dielettrica locale e dinamica.
I tessuti biologici possono essere considerati, sotto molti aspetti, sistemi dielettrici complessi ad alta percentuale di acqua, in cui le molecole e le strutture macromolecolari presentano dipoli elettrici e proprietà di polarizzabilità. In un simile contesto, l’arrivo di un campo elettromagnetico coerente potrebbe non limitarsi a produrre semplicemente assorbimento energetico da parte di specifici cromofori, ma anche indurre processi di polarizzazione dielettrica collettiva su scala microscopica.
La presenza di regioni localmente polarizzate generate dallo speckle laser potrebbe quindi favorire fenomeni di accoppiamento tra il campo elettromagnetico e la struttura dipolare del tessuto, aumentando l’efficienza dell’interazione. In altre parole, la luce coerente non si limiterebbe a fornire fotoni da assorbire, ma potrebbe contribuire a organizzare temporaneamente l’ambiente elettromagnetico locale del tessuto.
Un’ulteriore prospettiva, ancora in gran parte teorica ma estremamente interessante, riguarda il possibile ruolo della coerenza biologica dei tessuti stessi. Diverse linee di ricerca in biofisica, tra cui i lavori di Herbert Fröhlich, Fritz-Albert Popp, Emilio Del Giudice e altri, hanno suggerito che i sistemi biologici non si comportano semplicemente come aggregati casuali di molecole, ma possono presentare forme di organizzazione coerente su scala mesoscopica, sostenute dalla dinamica collettiva di acqua, proteine e campi elettromagnetici.
Se questa prospettiva verrà ulteriormente confermata, sarà plausibile ipotizzare che i tessuti biologici possano interagire in modo particolarmente efficiente con radiazioni elettromagnetiche dotate di elevato grado di coerenza. In altre parole, la coerenza del laser potrebbe non solo sopravvivere parzialmente alla diffusione nei tessuti, ma anche accoppiarsi con le dinamiche collettive della materia vivente, facilitando fenomeni di interferenza e trasferimento di energia su scale più profonde.
In questo quadro, la maggiore efficacia dei laser osservata in diversi contesti clinici, soprattutto quando si tratta di raggiungere tessuti profondi, potrebbe non dipendere esclusivamente dalla maggiore collimazione o dalla potenza ottica, ma anche da una compatibilità fisica tra la coerenza della radiazione e l’organizzazione collettiva dei sistemi biologici.
Conclusioni
Alla luce delle considerazioni fisiche e biofisiche discusse, appare riduttivo sostenere che tutte le sorgenti luminose utilizzate in fotobiomodulazione possano essere considerate equivalenti. Sebbene il meccanismo fondamentale alla base degli effetti biologici sia l’assorbimento dei fotoni da parte dei sistemi molecolari del tessuto, le caratteristiche fisiche della radiazione, come coerenza, interferenza, distribuzione dell’intensità e stati di polarizzazione locali, possono influenzare in modo significativo le modalità con cui l’energia elettromagnetica interagisce con i sistemi biologici.
La diffusione nei tessuti non elimina completamente la coerenza della luce laser, ma ne modifica l’organizzazione spaziale generando campi di interferenza complessi (speckle) e distribuzioni locali di polarizzazione. Questi fenomeni possono aumentare localmente l’intensità effettiva e la probabilità di assorbimento fotonico, contribuendo potenzialmente a una maggiore efficacia nel raggiungere tessuti situati a profondità maggiori.
In questo contesto è comprensibile come, negli ultimi anni, il marketing di alcune tecnologie LED abbia cercato di enfatizzare analogie e punti di contatto tra le diverse sorgenti luminose, talvolta suggerendo implicitamente una sostanziale equivalenza. Tuttavia, alla luce delle differenze fisiche fondamentali tra luce coerente e incoerente, tali tecnologie non possono essere considerate completamente sovrapponibili, anche se entrambe trovano un proprio ampio e legittimo ambito applicativo nel campo della fotobiomodulazione.
Per questo motivo l’approccio più razionale non consiste nel contrapporre ideologicamente le diverse tecnologie, ma nel comprenderne caratteristiche, limiti e potenzialità specifiche. In alcuni contesti la luce LED può rappresentare una soluzione efficace e versatile; in altri casi, soprattutto quando si ricercano effetti più profondi o condizioni di interazione elettromagnetica più complesse, la luce laser può offrire vantaggi specifici.
Proprio su questa base si fonda l’approccio adottato da Bionomy, che utilizza entrambe le tecnologie all’interno della propria piattaforma di dispositivi e protocolli. Il team di esperti coinvolto nello sviluppo e nell’applicazione dei sistemi Bionomy possiede una conoscenza approfondita delle caratteristiche biofisiche sia dei laser sia delle sorgenti LED. Questo consente di indicare, di volta in volta, la tecnologia più adatta al contesto applicativo, definendo protocolli e modalità di utilizzo coerenti con le proprietà fisiche della radiazione e con la complessità dei sistemi biologici.
In una disciplina ancora in evoluzione come la fotobiomodulazione, il vero progresso non nasce dalla semplificazione o dalla standardizzazione forzata delle tecnologie, ma dalla capacità di integrare conoscenze provenienti da fisica, biofisica e biologia dei sistemi complessi, utilizzando ogni strumento nel modo più appropriato.
Riferimenti:
Hode, Tomas & Duncan, Donald & Kirkpatrick, Sean & Jenkins, Peter & Hode, Lars. (2009). The importance of coherence in phototherapy.
Eric Dollard – Electromagnetic induction and its propagation
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