Оптическая доставка энергии

Часть излучения лазера попадает в область не удалённой ткани. Интенсивность лазерного излучения экспоненциально в глубину, и поглощенная энергия приводит к нагреванию этой области. Так как необходимая для коагуляции ткани энергия составляет менее 10% энергии выпаривания, то нагревание является достаточным, чтобы возникла зона коагуляции толщиной (x_opt), примерно равной глубине проникновения (1/α) лазерного излучения. Эта толщина представляет собой нижний предел ожидаемой термически измененной пограничной зоны. В таблице 2 указаны коэффициенты поглощения (α) и глубина проникновения (x_opt) излучения различных длин волн для нормальной мягкой ткани. При этом следует иметь ввиду, что ткань является сильно рассеивающим материалом, в котором распределение интенсивности в глубину ткани определяется не только поглощением, но и в значительной мере рассеянием. Рассеяние учитывается в таблице 3 с помощью так называемого эффективного коэффициента поглощения (α*). Таким образом,получается эффективная глубина проникновения (x_opt). Эффективная глубина проникновения в УФ области спектра из-за рассеяния значительно сокращается (примерно до 10 раз).

Таблица 5.

Нормальные (α) и скорректированные на рассеяние коэффициенты поглощения (α*) или глубины проникновения в мягкую ткань излучения с различными длинами волн (наиболее распространенные лазеры).

Зависимость минимальной пограничной зоны коагуляции от глубины проникновения света показана сравнительным экспериментом (рис. 33), где термически измененная пограничная зона нативной роговицы при удалении с помощью эксимерного лазера (308 нм, 20 нс) имеет толщину 70 мкм, в то время как на подкрашенной роговице – около 5 мкм. Экспериментально измеренные значения 70 и 5 км для пограничных зон с тепловым изменением хорошо соответствуют значениям глубины проникновения света в нативной и подкрашенной роговице. Высокие значения для нативной роговицы по сравнению с нормальной мягкой тканью (таблица 5) объясняется отсутствием рассеяния в роговице, так что эффективная глубина проникновения не уменьшается.

Рис. 33. Путем подкрашивания красителем при удалении с помощью эксимерного лазера (308 нм, 7,2 мДж, 10 Гц) пограничная зона в роговице может быть значительно снижена. Толщина пограничной зоны соответствует глубине проникновения лазерного излучения.

Экспериментально определенные тепловые пограничные зоны при фотоабляции со значительно отличающимися длинами волн от УФ до ИК хорошо совпадают со значениями на основе пороговых значений и скорости абляции (рис. 34).

Рис.34. Значения эффективной глубины проникновения, рассчитанные на основе порогового значения и скорости абляции, при абляции аорты короткими лазерными импульсами различной длины волны соответствует экспериментально выявленным термически измененным пограничным зонам.

2.7. Нелинейные процессы

В области небольшой длительности импульсов и, следовательно, высокой плотности мощности возникает новый класс процессов, которые явно отличаются от чисто термических или фотохимических воздействий лазерного излучения на материю, так называемые нелинейные процессы (рис. 35).

Рис. 35. Области энергетической плотности и длительности импульсов для различных процессов лазерного воздействия на ткань.

В данном случае речь идет, с одной стороны, о процессе фотоабляция (фотодекомпозиции) с помощью УФ лазерного излучения, который впервые был описан Шринивашаном и приобрел значение в связи с прецизионным снятием материала при совершенно незначительной термической нагрузке на окружающие ткани. Возможное медицинское применение – лазерная ангиопластика или коррекция формы роговицы. Этот процесс возникает в области плотностей энергии 0,1-10 Дж/см² и длительности лазерных импульсов в наносекудном и микросекундном диапазонах. При более высокой плотности мощности (около 10¹¹ Вт/см²) возможен еще один процесс «оптический пробой». При этом из-за очень высокой электрической напряженности поля лазерного излучения материя ионизируется, что приводит к образованию плазмы и к механическим ударным волнам (фоторазрушение). Для этого процесса не требуется поглощение веществом энергии, и поэтому он наблюдается также в прозрачных средах, например, в воздухе. Процесс фотодисрупции находит применение, например, в офтальмологии при разрушении мембраны вторичной катаракты (разрушение задней мембраны капсулы хрусталика через роговицу) после имплантации искусственного хрусталика. Другое будущее применение – в лазернойлитотрипсии.