Карагандинский Государственный Медицинский Университет

Кафедра Информатики и биофизики

Дисциплина: Медицинская биофизика

СРС

На тему: Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани.

Выполнил: студент 150 гр.

Хайрбеков Х.Б

Проверил: Пашев В,И.

Караганда 2010г.

План:

1. Лазеры

2. Биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения

3. Применение

А) Применение лазера в дерматологии и косметологии

Б) Использование высокоинтенсивного лазерного излучения в лечении варикозной болезни и ее осложнений – трофических язв.

В) Применение высокоэнергетического лазерного излучения в гинекологической практике

4. Список литературы

Лазеры.

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света – возбужденные частицы и генераторы радиоволн – имеют мало общего. Лишь с середины ХХ столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики – квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят всё большее применение в науке и технике. Эти явления лежат в работе оптических квантовых генераторов – лазеров.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализации трех фундаментальных физических идей: вынужденного излучения, создание термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов и использования положительной обратной связи.

Возбужденные атомы (молекулы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным процессом (а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте, по направлению распространения и поляризации. Другое излучение – вынужденное, или индуцированное (б) – возникает при взаимодействии фотона с возбуждённой молекулой.

а) спонтанный процесс

б) индуцированное излучение

в) основное состояние

Индуцированное излучение тождественно подающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить от когерентном усилении электромагнитной волны , что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда – активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вынужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При её осуществлении часть генерируемого излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение всё новыми и новыми возбужденными атомами.

Применение лазеров основано на своиствах их излучения: высокая монохромичность , достаточно большая мощность, узкость пучка и когерентность.

Широкое преминение лазеры нашли в хирургии, стоматологии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от своиств биологического материала, так и от своиств лазерного излучения.

Все лазеры используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см², чаще всего составляет около 0,1 Вт/см²) – терапевтические и высокоинтенсивные – хирургические. Интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 10¹⁴ Вт/см², в медицине обычно используется лазеры с интенсивностью 10²-10⁶ Вт/см².

Если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной называемой y-излучением. Воздействие ультрофиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызвало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импульса 30нс) или наносекундными (10нс) импульсами с интенсивностью выше 10⁶ Вт/см ² приводило к электронным переходам, завершавшимся ионизацией молекул.

а) При пикосекундной интенсивности

б) При наносекундной интенсивности

При поглощении любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфокрасое поглощаются главным водой и вызывает в основном тепловые эфекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленое тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают восновном испарение (резание) и коагуляция биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 10⁷ Вт/см² и с продолжительностью облучения от милисекунды до нескольких секунд. К ним относятся, например, газовый СО₂ –лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазер – наиболее широко используемые твердотельный четырёхуровневый лазер. Генерация осуществлянтся на переходах ионов неодима (Nd³⁺), введённых в кристаллы Y₃AI₅O₁₂ иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах 60 ^оС и выше начинается денатурация белков, коагуляция и некроз. При 100-150 ^оС вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свыше 300 ^оС ткань испоряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющего тепла велико, в тканях возникает температурный градиент. В месте подения луча ткань испоряется, в прилегающих областях происходит обугливание и коагуляция. Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного СО₂-лазера с мощнастью около 2 х 10³ Вт/см² пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10^-9-10^-6с) и увеличивать интенсивность (выше 10⁶ Вт/см²), то размеры зон обугливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01 – 100 Дж/см².

При дальнейшем повышении интенсивности (10¹¹ Вт/см² и выше) возможен ещё один процесс – «оптический пробой». Это явление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения материя ионизируется, образуется плама и генерируются ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается также в прозрачных средах, папример в воздухе.

5.2. Биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения.

Биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения реализуется в тканях организма в виде трех основных эффектов: • первичных – выражающихся в изменениях энергетического содержания электронных уровней и стереохимической перестройке молекул вещества ткани, коагуляции белковых структур и т.п.; • вторичных – фотохимических, фотоэлектрических и фотодинамических эффектов, стимуляции или угнетении биохимических процессов, изменении функционального состояния клеток (включая их мембраны и органеллы), тканей и систем целостного организма; • эффектов последствия – цитопатического и др. Первичное воздействие излучения высокоинтенсивных лазеров проявляется в виде трех основных эффектов: 1) светового, 2) термического, 3) давления света.

Основным действующим фактором лазерного излучения является мощный световой поток, который в первую очередь обладает свойством оказывать давление на поверхность ткани (эффект давления света был открыт в 1901 г. П. Н. Лебедевым). Поскольку мощность светового потока высокоинтенсивных лазеров достаточно высока, соответственно значительных величин достигает и вызываемое ими давление света на ткань, создающее ударную световую волну.

Световой поток высокой интенсивности при взаимодействии с тканями в первую очередь вызывает термический эффект, который в зависимости от его мощности (в том числе плотности мощности) может вызывать последовательно ряд изменений тканей:

• коагуляцию,

• ожог,

• обугливание,

• сгорание,

• испарение.

При взаимодействии с живой тканью, содержащей воду, происходит ее вскипание с явлениями микровзрывов, отмечается давление образовавшихся паров на ткань. При этом возникает явление суммации давления света и давления паров, из которых складывается общее ударное воздействие лазерного излучения.

Хирургическое применение диодных и Nd:YAG лазеров основывается для большинства из них на переходе оптического излучения большей частью в тепловую энергию и в меньшей мере в механическую энергию.

На молекулярном уровне фототермические процессы можно представить как поглощение фотона органической молекулой, которое переводит ее в возбужденное вращающееся и вибрирующее состояние, и последующую потерю возбуждения, происходящую из-за анакластического удара с молекулой окружающей среды, которая таким образом забирает ее кинетическую энергию. Этот процесс потери возбуждения происходит в течение очень короткого периода (1 – 100 psec), а следующее за ним быстрое нагревание приводит к местному поднятию температуры.

На видимом уровне биологические эффекты фототермического вида можно классифицировать в соответствии с несколькими различными термодинамическими процессами, к которым будут относиться главные гистологические изменения, суммированные в таблице 1:

Табл. 1. Гистологические изменения вызванные фототермическими процессами