биофизика.docx Райер А.В. ВСЭ 1. Реферат по дисциплине Биологическая физика на тему Лазеры и их применение в медицине

• Название: Реферат по дисциплине Биологическая физика на тему Лазеры и их применение в медицине
• Дата: 17.01.2018
• Размер: 0.87 Mb.
• Имя файла: биофизика.docx Райер А.В. ВСЭ 1.docx
• Тип: Реферат; #34403

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

Кафедра экологии, биологии и гистологии

РЕФЕРАТ

по дисциплине Биологическая физика

на тему

Лазеры и их применение в медицине

Выполнил:

Студент 1 курса факультета ветеринарно-санитарной экспертизы

очной формы обучения

А.В. Райер

Проверил:

Доцент кафедры неорганической химии и биофизики, кандидат наук

Е. А. Карулина

Дата сдачи: ________________

Оценка:______________баллов


Санкт-Петербург

2016

Оглавление

Введение 2

Лазерные методы диагностики 3

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ЦЕЛИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ. 5

Лазерная диагностика 8

Лазерная терапия 10

Фотодинамическая терапия 12

Лазерная хирургия 13

Основные типы лазеров, применяющихся в медицине 18

Теплофизические свойства тканей 25

Список литературы 32

Введение

В настоящее время лазерное излучение с большим или меньшим успехом применяется в различных областях науки. Уникальные свойства излучения лазеров, такие, как монохроматичность, когерентность, малая расходимость и возможность при фокусировке получать очень высокую плотность мощности на облучаемой поверхности обеспечили широкое применение лазеров. Использование квантовой электроники оказалось, в частности, очень полезным для клинической медицины. В медицинских целях используются, в основном, твердотельные и газовые лазеры. Импульсные твердотельные лазеры применяют преимущественно в офтальмологии для операций по  устранению отслоения сетчатки глаза и при лечении глаукомы. Для этих целей была разработана специальная аппаратура с использованием неодимовых и рубиновых лазеров. Для операций с рассечением тканей импульсные лазеры оказались непригодны, поэтому для этих целей применяют лазеры непрерывного действия. В Советском Союзе была создана хирургическая аппаратура на СО₂ лазерах. Такие хирургические установки применяют в общей хирургии, онкологии и других областях. 
Установками на основе аргоновых лазеров непрерывного действия с использованием специальных световодов пользуются медики при внутриполостных операциях. 
В терапии разных болезней широко применяются газовые гелий-неоновые лазеры. Например, положительные результаты получены при лечении трофических язв, ран, воспалительныхпроцессов, некоторых сосудистых заболеваний и в кардиологии. Не вызывает сомнения стимулирующее действие излучения гелий-неоновых лазеров при регенерации и улучшении обменных процессов. 
Основными преимуществами, стимулирующими применение лазеров в медицине, являются радикальность лечения,  снижение сроков вмешательства, уменьшение числа осложнений, кровопотери, улучшение условий стерильности и т. д. 

Лазерные методы диагностики

Лазеры представляют собой источники света, работающие на  базе процесса вынужденного  (стимулированного, индуцированного)  испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий  при  вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по  частоте, фазе, направлению и поляризации. Это  определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая  когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая  монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком  диапазоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до  1.2  мкм (инфракрасное излучение) - и могут работать  как  в  непрерывном, так и в импульсном режимах. 
Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых  обеспечивается с помощью специальных  вспомогательных  устройств. Упрощенная конструктивная схема гелий-неонового лазера показана  на  рисунке ниже. 
Излучатель предназначен для преобразования  энергии  накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние)  в  лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий  собой в  общем  случае  систему  тщательно  изготовленных  отражающих, преломляющих и  фокусирующих  элементов, во  внутреннем  пространстве которого возбуждается и поддерживается определенный  тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в  рабочей  части  спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки. В лазере, показанном на рисунке, оптический резонатор выполнен  в  виде двух параллельных зеркал 1 и 5,расположенных вне  активной  части среды 3,которая отделена от окружающей среды колбой  6  разрядной трубки и двумя окнами 2,4 с  плоскопараллельными  границами, образующими с осью излучения угол  Брюстера. Внешние  зеркала  1  и  5 обеспечивают многократное прохождение  излучения  через  активную среду с нарастанием мощности потока лазерного излучения. Для выхода излучения одно из зеркал (5) делается с отверстием или полупрозрачным. 
 
Система накачки предназначена для преобразования энергии источника электрического питания 8 в энергию ионизированной  активной среды 3 лазера. Накачка осуществляется электрическим разрядом, для чего в нем устанавливаются два электрода - катод 7 и анод  9, между которыми подается напряжение от источника питания. Атомы гелия возбуждаются при соударениях с быстрыми электронами и, сталкиваясь с атомами неона, передают им свою энергию. В некоторых  типах лазеров применяют фокусирующие магниты или обмотки и  специальные отводные трубки для циркуляции активной среды. 

  

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ЦЕЛИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ.

Современные направления медико-биологического применения лазеров могут быть разделены на две основные  группы: 

В нижней половине схемы сгруппированы направления  использования лазерного излучения в качестве инструмента исследования. Лазер здесь играет роль уникального светового источника  при  спектральных исследованиях, в лазерной микроскопии, голографии и др. В верхней половине схемы показаны основные пути использования лазеров в качестве инструмента воздействия на биологические  объекты. можно выделить три типа такого воздействия.

 
К первому типу отнесено воздействие на ткани  патологического очага импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности, недостаточной для глубокого  обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому  типу  воздействия соответствует применение лазеров в дерматологии и  онкологии  для облучения патологических тканевых образований, которое приводит  к их коагуляции. Второй тип - рассечение тканей, когда  под  влиянием излучения лазера непрерывного  или  частотно-периодического  действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить  используемую при коагуляции на два порядка и более. Этому типу воздействия соответствует хирургическое применение лазеров. К третьему типу можно отнести влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения, обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, т.е. воздействие  типа  физиотерапевтического. Сюда же следует включить применение гелий-неонового лазера в целях биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язв и др. 
Несмотря на всю условность схемы (нетрудно  видеть, например, что при рассечении тканей наблюдается одновременно  гибель  части клеток, т.е. реализуется и воздействие по первому типу, рассечение и коагуляция тканей сопровождается определенными физиолого-биохимическими изменениями и др.),она дает представление о тех  основных эффектах, которые достигаются с помощью лазерного облучения  и практически используются специалистами медико-биологического профиля. Задача исследований по механизму биологического действия лазерной радиации сводится к изучению тех процессов, которые лежат в основе интегральных эффектов, вызываемых облучением — коагуляции тканей, их испарения, биостимуляционных сдвигов в организме. 

Лазерная диагностика

В диагностике лазерное излучение может использоваться как вне ор- ганизма (ex vivo), так и для прямого анализа органов и тканей пациента (in vivo). Приведем некоторые примеры применения лазеров в диагностике. Применение еx vivo. Через тонкий кварцевый капилляр прокачивается специально обработанная кровь (см. рисунок 1). Излучение лазера направляется на прозрачный капилляр и вызывает флюоресценцию клеток крови. Флюоресцентное свечение улавливается чувствительными датчиками. Это свечение специфично для каждого типа клеток крови, проходящих поодиночке в области лазерной засветки. Поэтому имеется возможность подсчитать их количество в заданном объеме крови, а также получать с высокой точностью количественные показатели по каждому типу клеток. Этот принцип использован в приборе, который называется гемоцитометр. Производительность этого прибора в сотни раз превышает производительность анализа крови лаборантом традиционным способом. И точность, и объективность результатов также существенно выше.



Рисунок 1. Применение лазерного излучения для диагностики крови.

Еще более совершенным диагностическим лазерным анализатором является проточный флуориметр, в котором клетки перед прогоном через капилляр окрашиваются специальными красителями, так что появляется возможность не только исследовать отдельные типы, но и разновидности типов клеток крови. При этом возможен анализ не только клеток крови, но и любых других клеточных элементов, выделенных из любых тканей организма для диагностики. Диагностика in vivo – новая и перспективная область лазерной медицины. Ее практическая реализация еще только начинается, и большинство исследований находятся в стадии экспериментальной разработки и испы- таний. Рассмотрим некоторые примеры диагностики in vivo. 1. Луч CdNe лазера (УФ, λ =327 нм) пропускается через кварцевый световод по сосудистому катетеру и нацеливается на исследуемую ткань, например, сердечной мышцы. Флюоресцентное свечение ткани, происходящее в результате воздействия лазерного излучения, улавливается через тот же световод. По интенсивности флюоресцентного свечения можно судить о концентрации в ткани различных компонентов, определяющих ее жизнедеятельность. 2. Луч эксимерного XeCl лазера, λ=308 нм используется для удаления атеросклеротических бляшек в кровеносных сосудах. Диагностика заключается в том, что одновременно с обработкой производится анализ флюоресцентного излучения от бляшки, разрушающейся под действием излучения. Такой анализ позволяет выявить наличие отложений кальция, магния, а также липидов. Это дает возможность контролировать ход операции и судить об эффективности удаления этих компонентов из пораженного сосуда. 3. Лазерная диагностика может использоваться в других областях, в частности, в стоматологии для дифференциации кариогенного дентина зуба от нормального, лазерной диагностике глазного дна (исследование сосудистой системы), флюоресцентной ангиографии, голографической диагностике. Лазерную диагностику часто называют методом оптической биопсии. В последние годы интенсивно исследуются и разрабатываются методы оптической томографии. Различные методы оптической томографии, их особенности, возможности и перспективы подробно изложены в книге В.А.Серебрякова¹.

Лазерная терапия

Практически с начала использования лазеров известно оздоровительное действие лазерного излучения низкой интенсивности. Первоначально преимущественно использовался с этой целью HeNe лазер. Воздействие производится на область поражения, на акупунктурные точки, на области Захарьина – Геда (проекции на коже человека его внутренних органов), на биологически активные точки (акупунктура), области стопы и ладони (ри- сунки 2 – 4), области позвоночника и т.п. При ряде заболеваний использу- ется облучение крови. Механизмы лечебного эффекта лазерной терапии не всегда и не вполне ясны. Тем не менее, известно их оздоровительное действие, противовоспалительное действие, повышение иммунитета, структурные изменения, активация макромолекул РНК, ДНК, а также от- сутствие неблагоприятных исходов при их применении. Поэтому метод лазерной терапии весьма перспективен, и представляются необходимыми его дальнейшие исследования и разработка.



Рисунок 2. Зоны Захарьи- на-Геда. Соответствие областей на поверхности кожи и органов:

легкие и бронхи (1), сердце (2), кишечник (3), мочевой пузырь (4), мочеточники (5), почки (6), печень (7 и 9), желудок и поджелудочная железа (8), мочеполовая система (10).

Рисунок 3. Проекции тела на стопе: 1 – гипофиз, 2 – мозг, 3 – глаза, 4 – шейный отдел позвоночника, 5 – трахея, 6 – легкие, 7 – уши, 8 – щитовидная железа, 9 – тимус, (вилочковая железа) 10 – плечи, 11 – паращитовидная железа, 12 – желудок, 13 – панкреас, 14 – надпочечники, 15 – почки, 16 – кишечник, 17 – мочеточники, 18 – мочевой пузырь, 19 – половая сфера, 20 – тонкий кишечник, 21 – бедра и колени, 22 – крестцовый отдел позвоночника, 23 – седа- лищный нерв, 24 – костная система, 25 – печень (только на правой стопе), 26 – желчный пузырь (только на правой стопе), 27 – аппендикс (только на правой сто- пе), 28 – сердце (только на левой стопе), 29 – селезенка (только на левой стопе).



Рисунок 4. Проекции тела на кисти руки.

Фотодинамическая терапия

Некоторые злокачественные опухоли (первичный рак головного и спинного мозга, поджелудочной и щитовидной желез, метастазы рака печени и др.) способны концентрировать в себе молекулы некоторых фоточувствительных соединений, которые предварительно вводят через кровеносные сосуды. При облучении ткани, аккумулировавшей в себе фоточувствительное соединение–фотосенсибилизатор–лазерным излучением, длина волны излучения которого соответствует области сильного поглощения сенсибилизатора, происходит его распад. При этом выделяются свободные радикалы, токсичные для живых клеток. На этом принципе основана фотодинамическая терапия. Сначала больному вводят соответствующий фотосенсибилизатор, затем через световод (или при кожных патологиях непосредственно) производят облучение опухоли. В результате разложения фотосенсибилизатора и массивного выделения токсичных продуктов клетки злокачественной опухоли погибают, а окружающие их здоровые клетки остаются живыми, так как на них вещество сенсибилизатора практически не адсорбируется. Этот метод интенсивно разрабатывается и внедряется в клиниках США, Западной Европы, Японии и России.

Лазерная хирургия

Во всех случаях, рассмотренных выше, используется лазерное излучение относительно низкой мощности, при которой излучение не наносит непосредственного повреждения ткани и клеткам живого организма. При лазерной хирургии разрушение ткани происходит непосредственно в процессе воздействия. Основные показания применения лазеров в хирургии:

– микрохирургические операции (в частности на глазу),

–удаление небольших опухолей,

– операции, требующие избирательного воздействия (пигментные пятна, винные пятна, другие подкожные образования, например, татуировки),

– реканализация сосудов, проходов,

– остановка кровотечений и операции на кровенасыщенных органах,

– сварка тканей.

В лазерной хирургии используются достаточно мощные лазеры, плотность мощности излучения которых достаточна для удаления, разрушения или термического некроза клеток, тканей или иных объектов, подлежащих ликвидации. Именно в области лазерной хирургии достигнут большой прогресс – сравнительно с другими областями лазерной медицины. Методы лазерной хирургии:

– непосредственное удаление вещества (абляция),

– коагуляция, – сварка (соединение),

– дробление (с помощью ударной волны).

Необходимо отметить, что нежелательно применение лазера как режущего инструмента при рассечении кожи, мышц и внутренних полых органов, так как в отличие от обычного режущего инструмента воздействие излучения вызывает краевое повреждение структур, что замедлило бы заживление, вызвало бы появление рубцов. Тем не менее, область применения лазеров в хирургии исключительно широка. Приведем краткий (и естественно не исчерпывающий) обзор основных областей применения лазеров в хирургии.

1. В общей хирургии

– остановка и профилактика кровотечений,

– удаление желчного пузыря и отростка слепой кишки,

– для сварки стенок полых органов.

2. В сердечно-сосудистой хирургии

– восстановление просвета сосудов (реканализация сосудов),

– ликвидация патологических очагов возбуждения в сердечной мышце (удаление),

– для улучшения кровоснабжения миокарда кровью непосредственно из левого желудочка,

– для соединения рассеченных сосудов путем их сварки.

3. В торакальной хирургии (устранение патологии органов грудной полости: легкие, плевра, бронхи, пищевод)

– восстановление просветов (реканализация) бронха и пищевода,

– удаление небольших опухолей.

4. В нейрохирургии

– удаление опухолей головного и спинного мозга,

– сварка нервных стволов.

5. В оториноларингологии–удаление опухолей и рубцов на гортани и в полости носа (микрохирургические операции, т. е. прецизионные, с оптическим контролем),

– остановка носовых кровотечений,

– тонзилэктомия (удаление миндалин),

– парацентез (прокол барабанной перепонки при остром отите),

– формирование прохода между ротовой полостью и просветом гайморовой пазухи (при гайморите).

6. В офтальмологии

– рассечение глазодвигательных мышц,

– ликвидация некоторых опухолей,

– выполнение разрезов и проколов глазного яблока,

– коагуляция отдельных участков сетчатки (при ретинопатии),

– приваривание отслоившейся сетчатки,

– создание фистулы (прохода) между передней и задней камерами глаза при глаукоме,

– удаление хрусталика при катаракте,

– кератопластика (проведение операций на роговице).

7. В урологии

– частичная нефрэктомия,

– остановка почечных кровотечений травматического происхождения,

– литотрипсия (дробление почечных камней),

– простатэктомия при доброкачественных новообразованиях простаты,

– кастрация при раке простаты,

– реканализация семявыводящих протоков и мочеиспускательного канала,

– остановка кровотечений из поверхности мочевого пузыря,

– удаление опухолей в дистальных отделах мочеточника.

8. В акушерстве и гинекологии

– клиновидная резекция и коагуляция яичника,

– резекция шейки матки.

9. В стоматологии

– удаление кариозных масс,

– обработка пульпарной полости,

– удаление прикорневых кист,

– ликвидация доброкачественных новообразований слизистой полости рта. 10. В травматологии и ортопедии

– обработка костной ткани (ампутация),

– обработка хрящевой ткани (например, при разрыве менисков коленного сустава),

– при манипуляциях на межпозвоночных дисках.

11. В дерматологии

– удаление злокачественных, потенциально злокачественных и доброкачественных новообразований на любых поверхностях кожных покровов,

– удаление доставляющих неудобства или эстетически неприемлемых образований на коже (родимые пятна, винные пятна, папилломы и т. п.).

12. В косметологии

– вмешательства по поводу косметических дефектов,

– лазерная шлифовка кожи,

– лазерное омоложение кожи.

13. В онкологии

– удаление злокачественных опухолей на ранних стадиях,

– реканализация просветов полых органов у неизлечимых пациентов,

– лечение некоторых медленно прогрессирующих заболеваний,

– устранение метастазов,

– лечение многих доброкачественных новообразований (в желудочно-кишечном тракте, на слизистых оболочках полостей рта, носа, гортани, на поверхности кожи и др.). Все операции характеризуются либо открытым доступом к объекту вмешательства, либо доступ обеспечивается путем предварительного рассечения и раздвигания тканей. Существуют также эндоскопические операции, когда доступ к объекту осуществляется через естественные отверстия (пищевод, трахея, полость носа и т. д.) или через небольшие проколы, в которые затем вводятся зонды для подведения хирургических инструментов. Такие операции весьма перспективны, так как они менее травматичны и в ряде случаев даже не требуют обезболивания по месту проведения основной процедуры. В лазерных эндоскопических операциях лазерное излучение с заданными параметрами вводится по катетеру через гибкий световод.

Основные типы лазеров, применяющихся в медицине

Большое разнообразие рассмотренных выше применений лазерных технологий в медицине, широких диапазон оптических и теплофизических свойств различных биологических тканей определяют разнообразие режимов, необходимых для обработки биотканей, и соответственно, большое разнообразие используемых лазеров. Отметим, что для биологических тканей свойственен резонансный характер поглощения излучения, что требует возможности обеспечения точного подбора требуемой длины волны лазерного излучения. Поэтому вопрос выбора лазера для конкретного медицинского приложения является весьма принципиальным. В таблице 1 приведены основные типы лазеров, традиционно применяющихся в лазерной медицине.



В дальнейшем к перечисленным лазерам были добавлены также эксимерные лазеры (таблица 2), работающие в УФ диапазоне длин волн, а также импульсные твердотельные лазеры (таблица 3), работающие в среднем ИК диапазоне. В последние годы в лазерной медицине широко применяются полупроводниковые лазеры, технологически целесообразным оказалось применение волноводных лазеров.



Оптические свойства ткани

При падении пучка лазерного излучения на поверхность биологической ткани могут наблюдаться отражение, поглощение, рассеяние и пропускание. Рассмотрим, как это происходит, на примере падения излучения на поверхность кожи. Кожа состоит из рогового слоя (толщиной 10 – 200 мкм), эпидермиса (40 – 150 мкм) и дермы (1000 – 4000 мкм). Непосредственно от поверхности обычно отражается небольшая доля излучения. Излучение проникает в роговой слой, в нем частично поглощается, частично рассеивается, частично проходит в эпидермис (если глубина проникновения излучения достаточна). В эпидермисе излучение также частично поглощается, частично рассеивается, частично проходит в дерму. В дерме излучение также частично поглощается, частично рассеивается. Часть рассеянного излучения выходит над поверхностью кожи, образуя диффузное отраженное излучение. В зависимости от длины волны падающего излучения отражается до 60% излучения. Таким образом, существенной особенностью распространения излучения в биологической ткани является рассеяние излучения, которое может быть значительным. Рассеяние излучения в биоткани происходит вследствие того, что структура биологической ткани имеет негомогенный характер, ячеистую структуру и определяется разными показателями преломления у разных ячеек и у ячеек и окружающей их средой. Рассеяние в биологической ткани зависит от длины волны лазерного излучения. Поглощение излучения также зависит от длины волны излучения (см. рисунок 5). В УФ диапазоне поглощение определяется содержанием белка, в ИК диапазоне поглощение – содержанием воды. Кроме того, поглощение излучения гемопротеинами, пигментами, нуклеиновыми кислотами и другими макромолекулами сильно зависит от длины волны излучения. Большинство органических молекул, также как и протеины, интенсивно поглощают излучение УФ диапазона. Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает излучение, начиная с УФ области, включая зеленую и желтую область видимой части спектра до длины волны 600 нм. Меланин, важнейший эпидермальный хромофор, поглощает во всей видимой части спектра.





Вообще в УФ, видимой и ближней ИК области спектра лазерное излучение поглощается в основном электронами атомов и затем преобразуется в тепло при безызлучательной релаксации. В средней и дальней ИК области излучение поглощается возбуждением вращательного и колебательного состояний молекул. Посредством атомарного и молекулярного поглощения и последующей релаксации возбужденных частиц оптическая энергия преобразуется в тепловую. В диапазоне от 600 нм до 1200 нм излучение глубже проникает в ткань, с минимальными потерями на рассеяние и поглощение. В этом диа- пазоне можно достигнуть глубоко расположенных объектов. Применение лазеров зависит от спектральной поглощающей способности биологических тканей. Такие лазеры как Ar лазер, лазеры на красителях, Nd:YAG, Nd:YAG с удвоением частоты действуют преимущественно на гемоглобин, меланин и другие органические вещества и поэтому имеют коагуляционный эффект. СО2 и Er:YAG (λ=2,9 мкм) лазеры из-за высокого поглощения их излучения водой подходят для рассечения ткани.



Как следует из таблицы, излучение СО2 лазера проникает в ткани на глубину всего лишь 10 мкм. Вся его мощность поглощается в поверхностных ячеистых слоях. Излучение аргонового лазера свободно распространяется в воде, но в крови поглощается в верхнем слое толщиной несколько десятков микрон. Nd:YAG лазер занимает промежуточное положение при распространении излучения в воде, в крови поглощение идет в слое несколько миллиметров. Для успешного использования лазеров в медицине и расширения областей их применения важными являются спектральные характеристики поглощения различных тканей. На их основе можно предсказать эффективность применения различных лазеров и выбрать оптимальный. Для получения спектральных характеристик поглощения излучения в тканях используются методы оптической спектроскопии. Обычно пользуются спектрами пропускания, так как их проще получить. Но необходимо всегда помнить о том, что в биологических тканях возможно интенсивное рассеяние излучения. Оно, так же, как и поглощение, вносит свой вклад в уменьшение пропускания. Например, при воздействии излучения Nd:YAG лазера на кровь небольшая глубина проникновения излучения определяется не поглощающими свойствами гемоглобина, а интенсивным рассеянием излучения на клеточных элементах крови.


Если для конкретного медицинского приложения лазер уже выбран (по спектральным характеристикам пропускания с учетом возможного рассеяния излучения), то для определения результатов воздействия необходимо оценить характеристики поглощения излучения в данной ткани. Для длин волн больше 10 мкм глубина проникновения излучения может быть рассчитана на основе экспоненциального закона, плотность мощности q коллимированного пучка излучения, прошедшего через слой толщиной d, определяется соотношением:



где q0- интенсивность излучения при входе в вещество, α - показатель поглощения. Для монохроматического излучения длиной волны



где n и k – действительная и мнимая части комплексного показателя преломления вещества.

Приведенные соотношения справедливы в том случае, когда поглощение намного превышает рассеяние. При наличии, как поглощения, так и рассеяния распространение излучения в веществе может быть описано уравнением



где q – плотность мощности излучения коллимированного пучка, r, z – координаты, (z – направление луча), γ – показатель ослабления (сумма показателей поглощения и рассеяния).

Теплофизические свойства тканей

В лазерной хирургии, наиболее широкой области применения лазеров в медицине, лазер используется или в качестве режущего инструмента, или в качестве коагулятора. При этом принципиальным является тепловое действие лазерного излучения. Преобразование электромагнитной энергии лазерного излучения в тепловую энергию происходит в результате поглощения лазерного излучения хромофорами, присутствующими в ткани, то есть компонентами ткани, которые интенсивно поглощают излучение данной длины волны. Хромофорами могут быть самые различные вещества. Например, для СО2 лазера (длина волны излучения 10,6 мкм) специфическим поглотителем является вода. Процесс нагревания ткани, температура, до которой она нагреется, зависят от следующих факторов:

a) объемной плотности мощности поглощенного излучения Q [Вт/м 3 ],

б) эффективности перевода поглощенной энергии в тепло, в) времени облучения,

г) теплоотвода из области поглощения в прилежащие области за счет теплопроводности ткани,

д) других типов теплоотвода, в частности, кровотоком.

Рассмотрим последовательно эти факторы. а). Объемная плотность мощности поглощенного излучения Q зависит от показателя поглощения α , плотности мощности излучения в дан- ной точке пространства q[Вт/м 2 ], которая является суммой плотности 21 мощности излучения лазерного пучка в данной точке qл и плотности мощности в данной точке излучения, рассеянного в других областях ткани qр:


б). Эффективность перевода поглощенной энергии в тепло определяется следующим классическим соотношением:



где E – поглощенная энергия, m – масса нагреваемого объема, c – его теплоемкость, ∆T – изменение температуры в результате нагрева. Таким образом, теплоемкость – это характеристика вещества, показывающая, какое количество энергии требуется для повышения температуры единицы массы тела на 1 градус Кельвина. Типичные значения теплоемкости различных материалов приведены в таблице 7.



Так как теплоемкость воды велика относительно теплоемкости других веществ, то очевидно, что теплоемкости биологических тканей будут сильно различаться в зависимости от содержания воды. Справедлива приближенная формула:



где ρ - плотность ткани в кг/м 3 , ω - содержание воды в ткани в кг/м 3 . в). Энергия Е, поступающая в тело, при определенной мощности излучения Р, зависит от времени облучения. Если потери энергии, в частности на теплоотвод, пренебрежимо малы, то увеличение температуры облучаемой ткани пропорционально времени воздействия:



откуда



где А – поглощательная способность биоткани. Это справедливо при достаточно малых временах воздействия. С увеличением времени воздействия вследствие роста тепловых потерь темп нагревания замедляется. г) Теплоотвод из области поглощения в прилежащие области определяется законом Фурье:



где s q – тепловой поток через поверхность S, n – нормаль к поверхности S, k – теплопроводность вещества. Типичные значения теплопроводности различных веществ приведены в таблице 8.



Реакции биоткани, зависимые от температуры

При повышении температуры биоткани в ней происходят те или иные процессы. В зависимости от величины температуры они будут следующими (см. таблица 11).



Особенностью воздействия излучения на биоткань в отличие от обычных материалов является то, что результат воздействия излучения на биоткань зависит также от времени, в течение которого ткань пребывает в нагретом состоянии. Это время определяется временем воздействия излучения, а также процессами перераспределения тепла при охлаждении после прекращения воздействия. На рис.8 приведена диаграмма влияния температуры и времени на необратимое изменение ткани.



При расчете результатов лазерного нагрева ткани необходимо учитывать, что оптические, механические и термические свойства ткани изменяются в процессе ее лазерного нагревания. В частности, показатель поглощения ткани резко увеличивается при обугливании. В результате значения температуры, достигаемой в области воздействия вблизи поверхности, резко возрастают, и процесс нагрева становится сугубо нелинейным.


Ускорение нагрева (на поверхности) происходит обычно также при обезвоживании ткани. Это связано с уменьшением теплопроводности при обезвоживании, что снижает теплоотвод из облученной области. Все рассмотренные типы изменения биоткани обычно наблюдаются не по отдельности, а в комплексе. Это связано с неоднородностью нагрева ткани, наличием градиентов температуры. Характерная структура ткани по зонам ее изменения при лазерном воздействии представлена на рисунке 9. В области, в которой температура превышает : 300°С, биоткань удалена (область кратера абляции). К этой области примыкает зона, в которой температура меньше 300°С, но больше 150°С, в этой зоне ткань обуглена. В следующем слое ткань коагулирована. Во внешней зоне ткань только слегка нагрета, и необратимых повреждений не происходит. Геометрические характеристики области воздействия излучения. Протяженность отдельных зон – ширина разреза, ширина кромки обугливания и зоны коагуляции, размеры зоны обратимого изменения ткани – зависит от многих факторов. К ним, прежде всего, относятся:

1) параметры лазерного пучка (длина волны, мощность, диаметр пучка, длительность воздействия, частота следования импульсов),

2) параметры ткани (показатель поглощения, теплопроводность, другие оптические и теплофизические свойства),

3) окружающая среда (воздух, вода, кровь),

4) характеристики истечения удаляемого вещества (температура, скорость удаления, поглощение, фокусирующие качества, подогрев ткани),

5) теплоотвод кровотоком.



Подчеркнем еще раз влияние движения продуктов абляции на зоны воздействия. При рассечении ткани излучением СО2 лазера продукты абляции во многом определяют ширину кромки обугливания и зоны коагуляции. Если продукты выгорания выдуваются газовой струей из канала рассечения, то образования кромки обугливания не происходит вообще, а кромка коагуляции в результате уменьшается в 10 раз (в экспериментах с 1мм до 0,1 мм).

Список литературы

1. Лазеры в клинической медицине. Под ред. Д. С. Плетнева. — М., Медицина. 
2. Плетнев Д. С. и др. Применение лазеров в онкологическй практике.— Хирургия. 
3. Хромов Б. М. Лазеры в экспериментальной хирургии.— Медицина. 
4. Дударев А.Л. Лучевая терапия, Л.: Медицина, 1982, 191 с. 
5.Лазерная и магнитно-лазерная терапия в медицине, Тюмень, 1984, 144 с. 
6. Современные методы лазерной терапии, Отв. Ред. Б.И. Хубутия, - Рязань.:1988 г.,126 с. 
7.Терапевтическая эффективность низкоинтенсивного лазерного излучения., А.С. Крюк, В.А. Мостовников и др.,- Минск.: Наука и техника, 1986 г., 231 с. 
8.Лазерные методы лечения и ангиографические исследования в офтальмологии, Сб. науч. тр. Под ред. С.Н. Федорова, 1983 г., 284 с. 
9.Лазеры в клинической медицине, Н. Д. Девятков, - М.: Медицина, 1981 г., 399 с. 
10. Лазеры в хирургии. Под ред. О.К. Скобелкина .- М .: Медицина, 1989, 2

11.В.А.Серебряков. Лазерные технологии в медицине. Издание СПбГИТМО (ТУ), 2009.

1^ . В.А.Серебряков. Лазерные технологии в медицине. Издание СПбГИТМО (ТУ), 2009.