2.3. Механизмы воздействия лазерного излучения на биоткань

Воздействие лазерного излучения на биологический материал или реакция живой ткани на это излучение обусловлено взаимодействием фотонов и молекул или соединений молекул ткани. Атомарные и молекулярные процессы и последующие биологические реакции выяснены еще не полностью. Известные процессы могут быть подразделены 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:

а) от свойств лазерного излучения (длина волны, плотность энергии, длительность облучения и частота повторения);

б) от свойств биологического материала (коэффициент поглощения, коэффициент рассеивания, плотность и т.д.).

В зависимости от длины волны, плотности энергии и времени воздействия лазерного излучения эффект определяется в основном двумя внутренними параметрами ткани: с одной стороны, оптическими свойствами облучаемой ткани и, с другой стороны, ее термическими свойствами.

Оптические свойства ткани

При попадании лазерного луча на ткань могут наблюдаться три процесса: отражение, поглощение и/или пропускание – тольконезначительный процент излучения отражается непосредственно от поверхности (рис. 24). Проникающие в ткань лучи частично поглощаются, частично рассеиваются и частично пропускаются (рис. 25).

Рис. 24. Оптические свойства слоя материи. Падающий лучевой поток φ₀ разделяется на три части: отраженная часть Rφ, поглощенная частьAφ и пропущенная частьТφ: Rφ+Aφ+ Тφ=1.

Рис. 25. Оптические свойства лазерного луча на коже.

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. Для длин волн более 1,0 мкм можно рассчитать на основе закона Ламберта-Бэра в первом приближении глубину проникновения излучения. Наилучшим образом соотношение поглощения и рассеяния описано в теории Кубелки-Мунка. Уравнение, описывающее распространение излучения в средах с учетом поглощения и рассеяния имеет вид:

dL_C(r,z)/dz = -γL_C(r,z),

где L_C(r,z) – плотность мощности излучения [Вт/м²]коллимированного луча в месте r (вектор места) в направлении z, коэффициент ослабления (сумма коэффициентов рассеяния [м^-1] и поглощения [м^-1]). 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. Качество коллимированности излучения утрачивается – формируется конусом диффузного рассеяния. В то время как в УФ диапазоне поглощение зависит от содержания белка, в ИК диапазоне существенное значение имеет содержание воды. Кроме того, гемопротеины, пигменты, другие макромолекулы, такие как нуклеиновые кислоты и ароматические системы поглощают лазерное излучение с различной интенсивностью в зависимости от длины волны. Большинство органических молекул, как и протеины, интенсивно поглощают в УФ диапазоне света (100-300 нм). Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает начиная с УФ области, включая зеленую и желтую области видимого света и до длины волны 600 нм. Меланин, важнейший эпидермальный хромофор, поглощает во всей видимой области спектра до УФ области. В диапазоне от 600 до 1200 нм излучение глубже проникает в ткань, с минимальными потерями на рассеяние и поглощение. В этом диапазоне можно достигнуть глубоко расположенные объекты. Такие лазеры, как аргоновый лазер, лазер на красителе, Nd:YAG-лазер с удвоением частоты, Nd:YAG-лазер, действует преимущественно на гемоглобин, меланин и другие органические вещества и поэтому имеют коагуляционный эффект. СО₂-лазер, генерирующий на длине волны 10,6 мкм, или Er:YAG-лазер с длиной волны генерации 2,9 мкм из-за высокого поглощения водой подходят для рассечения ткани. Значение глубины проникновения излучения указано в таблице 4.

Таблица 4.

Поглощение лазерного излучения в воде и в крови.

В этойтаблице 4 сравнивается количественно средний путь распространения излучения в воде и крови для различных лазеров. Как явствует из таблицы, CO₂-лазер имеет проникновение в ткань только 1/1000 см. Вся его мощность преобразуется в поверхностных ячеистых слоях. Напротив, излучение аргонового лазера может беспрепятственно распространяться в воде, но в крови оно полностью поглощается в верхних десятых долях миллиметра.

Nd:YAG-лазер занимается в данном случае промежуточное положение. Для расширения областей применения лазера в медицине важной предпосылкой является, по возможности, более широкое знание спектральных характеристик поглощения различных тканей. На этом основании можно предсказать для определенного типа ткани относительную эффективность существующих лазерных систем и до сих пор не применявшихся длин волн. Для этого используются методы оптической спектроскопии, с помощью которой регистрируются и исследуются спектры вращения, колебания и электронного возбуждения. После различных вспомогательных экспериментов весь исследованный диапазон длин волн на практике делится на ИК область, ближнюю ИК область, видимую область и УФ область. С помощью одного фотометра, как правило, можно зарегистрировать спектры только в пределах одного или двух граничных диапазонов. При возбуждении различных состояний молекулы принимают энергию только в квантованном виде, поэтому поглощение происходит только при определенных частотах. Изображение зависимости интенсивности поглощения от частоты или длины волны определяется как спектр. В спектроскопии тканей имеется несколько специальных проблем. Обычно в спектроскопии поглощения предполагается однородное распределение хромофоров в образце (разбавленные растворы известных концентраций). Только при таком условии строго действует закон Ламберта-Бэра. В тканяхже поглощающие элементы связаны с субъячеечными структурами, здесь нет однородного распределения. Влияние рассеяния должно быть обязательно учтено, как показывает пример с кровью: незначительная глубина проникновения излучения Nd:YAG-лазера объясняется не поглощающими свойствами гемоглобина, а интенсивным рассеянием на клеточных составных частях крови. Так как часто невозможно (а для практической оценки и не требуется) установить различие между долями рассеяния и поглощения при ослаблении излучения, то спектры пропускания следует предпочесть спектрам поглощения. Абсолютное масштабирование при этом невозможно вследствие различной техники подготовки образцов в зависимости от типа ткани и значительного различия свойств биологических образцов. Поэтому возможно только относительное сравнение спектровпропускания для тканей различных типов. В то же время эффективность воздействия излучения различных длин волн на различные ткани не может быть оценена исходя лишь из спектров пропускания. При изображении спектров по оси абсцисс откладывается, обычно, волновое число γ (измеряется в см^-1), которое прямо пропорционально энергии кванта, или длина волны λ (нм или мкм), которая обратно пропорциональна энергии. По оси ординат при исследовании поглощения откладывают отношение ослабленного образцом потока излучения φ к падающему потоку излучения φ₀. Количественными характеристиками процесса ослабления излучения являются пропускание Т и поглощение А:

Т=φ/φ_0;

А=lg(φ/φ₀)=lg(1/Т).

На рис. 26-30 изображены спектры различных тканей (отчасти с патологическими изменениями). Большинство спектров в диапазоне длин волн от 250 нм до 750 нм (УФ/видимая область) и от 750 до 2000 нм (ближняя ИК-область) регистрируются универсальным спектральным фотометром с микроскопом UMSP80 (фирма Zeiss). При этом незначительное растяжение ткани способствует повышению ее однородности. В диапазоне длин волн от 2,5 до 22,2 мкм ИК-спектры измеряются ИК фотометром с преобразованием Фурье (FTIR, Модель 1750, фирма Perkin-Elmer).

Рис. 26. Бедренная кость человека: губчатый слой (postmortem, invitro), KBr-прессовка (1/250).

Рис. 27. Меланин и оксигемоглобин.

Рис. 28. Аорта человека (нисходящая, postmortem, invitro), FTIR, ИК микроскоп SpectraScope (Spectra-Tech, Inc.), толщина слоя – 7 мкм, диаметр области измерения – 600 мкм.

Рис. 29. Почечный камень человека, цистин(invitro), FTIR, KBr-прессовка.

Рис. 30. Схема сравнения поглощения в воде и поглощения в содержащей воду ткани (аорта человека, postmortem, invitro). Отчетливо наблюдаются различия в УФ/видимой областях спектра. Эти различия объясняются характером рассеяния структур ткани.