Взаимодейсвтие лазерного излучения с биообъектами

Взаимодейсвтие лазерного излучения с биообъектамиможет быть подразделено на фотохимическое взаимодействие, термическое взаимодействие и нелинейные процессы. При этом доминируют при: низкой плотности мощности и продолжительном времени экспозиции – фотохимические процессы, более высокой плотности мощности и более коротком времени воздействия – термические процессы, воздействии плотности мощности более 10 Вт/см² с ультракоротким временем облучения (нс и короче) – нелинейные эффекты. Степень того или иного воздействия зависит:от свойств лазерного излучения (длина волны, плотность энергии, длительность облучения и частота повторения) и от свойств биологического материала (коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния, плотность и т.д.).

По мощности лазерное (непрерывный режим излучения) воздействие делится на:низкоэнергетическое (0,5-3,0 мВт), применяемое для диагностики, воздействия на акупунктурные точки, внутривенного лазерного облучение крови;среднеэнергетическое (200-2000 мВт), применяемое для фотодинамической терапии, гипертермии, физиотерапии, эндоскопической диагностики; высокоэнергетическое (20-100 Вт), применяемое в хирургии (лазерный скальпель), в том числе в онкологии и косметологии.В импульсе может быть сосредоточена достаточна большая энергия.

При взаимодействии с биологической тканью луч лазера ведёт себя штатно, т.е. в соответствии с законами физической оптики. Не только ткани, но и сама клетка, её внешние и внутренние структуры оптически неоднородны. Биологическая среда – активно преобразует световую энергию, например во вторичное излучение, колебательные процессы, электронное возбуждение и т.д. Биополимеры способны выступать в роли преобразователей-осцилляторов, возникает переизлучение с формированием колебательных гармоник, работающих как аккумуляторы. При этом создаются сгустки волновых процессов – уединённые электромагнитные волны солитоны.Солито́н— структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде.

Спекл, спекл-структура (англ. speckle — крапинка, пятнышко) — это случайная интерференционная картина, которая образуется при взаимной интерференции когерентных волн, имеющих случайные сдвиги фаз и/или случайный набор интенсивностей. На такой картине, как правило, можно отчётливо наблюдать светлые пятна, крапинки (их и называют спеклами), которые разделены тёмными участками изображения.

Спекл-картина образуется, например, при когерентном освещении случайно-неоднородных объектов, таких, как шероховатая поверхность, или при пропускании когерентного излучения через прозрачную среду с флуктуирующим в пространстве показателем преломления. Когерентное излучение может быть реализовано, прежде всего, лазерами.

Для многих типов биологических тканей в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра преобладает поглощение, обусловленное наличием в их составе неокрашенных белков, нуклеиновых кислот и воды. В видимой области поглощают окрашенные биологические объекты, например, гемоглобин. Вклад рассеяния оказывается существенным в видимой и ближней инфракрасной областях. Для длин волн 0,45─0,59 мкмпоглощение и рассеяние дают примерно равные вклады в коэффициент пропускания ткани, а для длин волн 0,59─1,5 мкмрассеяние превалирует над поглощением.

При попадании лазерного луча на ткань могут наблюдаться три процесса: отражение, поглощение и/или пропускание – только незначительный процент излучения отражается непосредственно от поверхности Проникающие в ткань лучи частично поглощаются, частично рассеиваются и частично пропускаются.В зависимости от длины волны падающего излучения отражается до 60% излучения. Рассеяние зависит от негомогенных структур ткани и определяется разными показателями преломления у разных ячеек и разницей между ячейками и окружающей их средой. Волны с длиной намного большей, чем диаметр ячейки (≥10 мкм), рассеиваются ячеистыми структурами лишь в незначительной степени. Но так как электромагнитныый спектр широко используемых лазеров простирается отИК (1мм - 0,78 мкм) до УФ (0,38 – 0,10 мкм) диапазона длин волн, мы практически всегда имеем дело с рассеянием.

Рассеяние в биологической ткани зависит от длины волны лазерного луча. Излучение эксимерного лазера УФ диапазона (193, 248, 308 и 351 мкм), а также ИК-излучение 2,9 мкм Er:YAG-лазера и 10,6 мкм CO₂-лазера имеют глубину проникновения от 1 до 20 мкм. Здесь рассеяние играет подчиненную роль. Для света с длиной волны 450-590 нм, что соответствует линиям аргона, глубина проникновения составляет в среднем 0,5-2,5 мм. Как поглощение, так и рассеяние играют здесь значительную роль. Лазерный луч этой длины волны хотя и остается в ткани коллимированным в центре, но он окружен зоной с высоким рассеянием. От 15 до 40% падающего пучка света рассеивается. В области спектра между 590 и 1500 нм, в которую входят линии Nd:YAG-лазера 1,06 и 1,32 мкм, доминирует рассеяние. Глубина проникновения составляет от 2,0 до 8,0 мм.

Характер отражения, поглощения, рассеяния и флуоресценции биологических объектов может существенно меняться, например, при их окрашивании. Такие биообъекты называют сенсибилизированными, поскольку их чувствительность к свету изменяется. Сенсибилизацию биоматериала используют для изучения механизмов взаимодействия света с отдельными компонентами этого материала, а также в практической диагностике и медицине, например, в ходе проведения сеансов флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии.

Действие лазера в хирургии, будь то в качестве режущего инструмента или коагулятора, базируется на превращении электромагнитной энергии лазерного луча в тепловую энергию (табл. 2, табл.3, рис. 11).

 

Таблица 2

Реакции биоткани на лазерное излучение, зависимые от температуры

Рис. Рис. 11. Влияние температуры и времени лазерного воздействия на необратимое изменение ткани.

 

 

Таблица 3.

Изменение свойств биоткани во время лазерного облучения

Это преобразование энергии излучения в тепло может произойти только в том случае, если лазерное излучение поглощается специфическими хромофорами ткани. Так как часть энергии из-за теплопроводности и других процессов транспортируется в соседние области, то нагревается не только облученный объем, но и окружающие его участки. Также и локальным кровотоком invivo тепло отводится от облученной ткани. Термические свойства живой ткани определяются в основном тремя процессами:теплопроводностью, накоплением тепла и отводом тепла сосудистой системой.