Взаимодействие лазерного излучения с биообъектами.
Процессы, характеризующие виды взаимодействия ЛИ с биообъектами, можно разделить на 3 группы:
• невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);
• фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);
• фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).
Отражение, поглощение, пропускание в случае однородной среды. При попадании ЛИ на ткань могут наблюдаться три процесса:
отражение, которое характеризует отраженная часть потока (Фотр),
поглощение, которое характеризует поглощенная часть потока (Фпогл),
пропускание, которое характеризует пропущенная часть потока (Фпроп)-
По закону сохранения энергии сумма этих потоков равна потоку падающего излучения: Фотр + Фпогл + Фпроп = Фпад.
На рис. схематически показано распределение этих потоков.
Соотношение между потоками зависит от длины волны и свойств среды. Для оценки поглощения излучения в ткани используется коэффициент поглощения a = Фпогл/Фпад-
Отражение и поглощение в коже. Взаимодействие лазерного излучения чаще всего начинается с контакта с кожей. Перераспределение лазерного луча на коже показано на рис
Из-за отражения от нескольких слоев кожи суммарное отражение может достигать 60%.
Изменения, происходящие в ткани при воздействии мощного лазерного излучения. Действие лазера в хирургии, будь то в качестве режущего инструмента или коагулятора, базируется на превращении электромагнитной энергии лазерного луча в тепловую энергию. В облучаемом объекте возникает источник теплоты с мощностью q (Вт/м3). Поглощенное лазерное излучение приводит к проявлению различных процессов (рис.).
Излучение удаляет нагретую до нескольких сотен градусов ткань (зона а) и проникает далее в ткань. Поглощенное там излучение недостаточно для удаления ткани, но приводит к коагуляции (иногда совместно с обугливанием – черная жирная линия) в слое, соответствующем глубине проникновения света (зона б). В дополнение к непосредственному нагреванию излучением окружающая ткань нагревается вследствие теплопроводности (зона в). На внешней границе этой зоны имеют место обратимые изменения ткани.
Если излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, то термические повреждения сопровождаются механической травмой ткани за счет ударных волн (см. ниже).
Протяженности отдельных зон (ширина разреза, граница обугливания, граница коагуляции, зона обратимого изменения ткани, зона механического повреждения) зависят от характеристик ЛИ (длина волны, мощность, непрерывное или импульсное излучение, частота повторения импульсов), от свойств окружающей среды (воздух, вода, кровь) и свойств самой ткани (в первую очередь от коэффициента поглощения и теплопроводности).
Динамика изменения свойств ткани и ее температуры при действии непрерывного мощного лазерного излучения
Динамика изменения свойств. Воздействие лазерного излучения приводит к повышению температуры тканей. По мере роста температуры в тканях протекают следующие процессы:
при 40-60 °С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и, в зависимости от времени действия, гибель клеток, денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;
при 60-80°С – денатурация коллагена, дефекты мембраны;
при 100 °С – обезвоживание, выпаривание тканевой воды;
свыше 150 °С – обугливание;
свыше 300° С – выпаривание обезвоженной обугленной ткани, газообразование.
Динамика изменения температуры. Превращенная в тепло энергия излучения вызывает в облученной ткани локальное повышение температуры. Рассмотрим динамику этого процесса для случая, когда нагревание осуществляется непрерывным лазером с постоянной интенсивностью излучения. При этом скорость выделения тепла в облучаемом объеме биоткани определяется ее коэффициентом поглощения a и интенсивностью излучения: q = aI, Вт/см .
В общем случае можно выделить несколько фаз, которые схематически показаны на рис.
1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100°С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными и происходит линейный рост температуры со временем (a = const и I = const).
2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.
3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.
4 фаза. При достижении температуры Т к 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения a начинает расти. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.
5 фаза. При достижении температуры Т » 300° С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, то есть становится скальпелем.
Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения. При достаточно больших интенсивностях ЛИ и коротких длительностях импульса может реализоваться другой механизм рассечения или удаления биоткани. В этом случае мощность объемного теплового источника q = aI столь велика, что происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Ткип. При этом возможно получение перегретого метастабильного состояния тканевой жидкости, когда она какое-то время не закипает даже при температуре, превышающей 100°С. Этот перегрев будет тем выше, чем больше интенсивность I (то есть мощность источника q). Затем происходит быстрое взрывное вскипание тканевой жидкости. При этом давление ее паров поднимается. Это приводит к тому, что выбрасывается «клеточный каркас» ткани, происходит явление абляции – быстрого взрывного удаления вещества. Обычно при реализации процесса абляции не происходит обугливания ткани.
«Взрывное» удаление биоткани при абляции приводит к генерации механических ударных волн.
При большой мощности коротких лазерных импульсов этот процесс может приводить к механическому повреждению биотканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например, при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.ом облучении считается нежелательным эффектом.