Лазеры. Лазерные технологии. Учебное пособие
.pdfФотодинамическая терапия использует лазеры средней мощности.
Низкоинтенсивная лазерная терапия. В настоящее время в практической медицине используются пять основных методик проведения терапевтических процедур:
1)прямое воздействие лазерного излучения на открытые раневые и воспаленные поверхности;
2)лазерное облучение патологических очагов через кожные покровы;
3)лазерная светопунктура (акупунктура) и рефлексотерапия;
4)лазерная световодная терапия, в том числе с применением эндоскопов;
5)облучение жидкостей, в том числе крови.
Каждая из перечисленных методик обладает своей спецификой. Вместе с тем,
все они могут выполняться с помощью одной лазерной установки при наличии соответствующего комплекта сервисных устройств.
Многочисленными клиническими данными установлено, что непрерывное, с длиной волны 632,8 нм излучение гелий-неонового лазера укрепляет иммунную систему организма. Под влиянием излучения этого лазера идет ускоренное заживление ран,
язв, подавляются воспалительные процессы.
Мощность лазерных излучающих головок современных наиболее эффективных аппаратов, работающих в непрерывном или модулированном режимах, чаще всего находятся в пределах 1-100 мВт, импульсная (пиковая) мощность у импульсных лазеров не превышает 5 -100 Вт при длительности световых импульсов 70130 нс
(~10-7 с), что в диапазоне частот от 80 до 10 000 Гц соответствует средней мощности от 0,04 до 100 мВт.
Используемые плотности мощности от 0,1 до 100 мВт/см2, время экспозиции
– от десятков секунд до десятков минут.
Фотодинамическая терапия. Основной принцип фотодинамической терапии заключается в активации вводимого в организм вещества, фотосенсибилизатора, с
помощью облучения.
Основное применение фотодинамической терапии в настоящее время это лечение злокачественных образований.
71
Фотосенсибилизатор вводится внутривенно или внутримышечно.
Используемые фотосенсибилизаторы имеют свойство накапливаться, в основном в опухолевых клетках. Концентрация фотосенсибилизатора в онкологических клетках превышает таковую в здоровых в 3…5 раз.
При облучении опухоли содержащейся в ней фотосенсибилизатор переходит в возбужденное триплетное состояние, и с его участием происходят сложные фотохимические реакции с появлением токсичных для клеток продуктов. Поскольку фотосенсибилизатор накапливается преимущественно в пораженных клетках, то гибнут в основном они при не значительном повреждении здоровых.
Плотность мощности при этом должна составлять по одним данным 10…100
мВт/cм2, по другим – до 1 Вт/cм2.
В принципе, подобные плотности мощности могут быть реализованы и с не когерентными источниками излучения. Вместе с тем, до настоящего времени предпочтение отдается именно лазерным источникам, способным обеспечить необходимую плотность мощности в заданном интервале спектра. Кроме то го, при облучении внутренних органов использование лазеров является принципиальным,
так как при доставке к ним излучения используется волоконная оптика.
Фотодинамическая терапия широко применяется в онкологии как первичное лечение для локализованных раковых образований и как дополнение к хирургическому удалению больших опухолей.
§ 6.3 Лазерная диагностика
Методы и средства лазерной диагностики биообъектов можно разбить на два больших класса [40, 51, 55]:
-микродиагностические, когда диагностика ведется на уровне атомов и молекул;
-макродиагностические, когда – диагностика ведется на уровне клеток и органов.
Методы микродиагностики включат лазерный флуоресцентный анализ и
резонансную фотоионизацию.
72
Лазерный флуоресцентный анализ. В основе методов лазерного флуоресцентного анализа лежит способность молекул (обычно красителей),
поглощая световую энергию, испускать более длинноволновое излучение при переходе из электронно-возбужденного состояния в основное. При поглощении кванта света молекула красителя переходит из основного состояния в возбужденное.
Далее за время порядка пикосекунды молекула релаксирует на нижнее колебательное состояние. Спонтанный переход в основное состояние сопровождается испусканием квантов света с меньшей энергией (большей длиной волны). Типичные времена такого процесса, который назвали флуоресценцией,
составляют 10-8 с.
Иногда естественных флуоресцентных свойств объекта недостаточно для надежной диагностики. В таких случаях прибегают к введению в биологический объект флуорофоров, веществ с хорошими флуоресцентными свойствами. Такие методы иногда называют зондовыми, а вещества – зондами.
Использование флуоресцентного зонда существенно расширяет возможности флуоресцентной диагностики опухолей, что основано на способности злокачественных клеток и тканей накапливать флуоренты в большей степени, чем в здоровых клетках и тканях. Так, препарат «флюренат» обеспечивает контрастность наблюдения опухоли на фоне флуоресценции о здоровых тканей 50/1, при возбуждении флуоресценции излучением Не - Cd лазера излучение которого попадает в максимум полосы поглощения флюрената.
Резонансная фотоионизация. С помощью перестраиваемого лазера на красителе производится фотоионизация атомов строго одного элемента или изотопа,
например атомов алюминия в крови человека. Затем ионы этого элемента детектируются по величине ионного тока. Таким методом удается регистрировать до 10-14 г.
Жесткая фокусировка мощных лазерных пучков позволяет испарять с поверхности, в том числе биообъекта, малые количества вещества, до 1 мм3 и
проводить его спектральный анализ.
Методы макродиагностики включают лазерная нефелометрия и томография.
73
Лазерная нефелометрия. Для исследования частиц крови, эритроцитов,
лейкоцитов, а также бактерий и сперматозоидов, используют методы светорассеяния.
Эти частицы имеют форму сферы или сфероида, поэтому для описания рассеяния света подобными частицами можно использовать теорию Ми. Эта теория позволяет рассчитывать интенсивность рассеянного излучения в зависимости от угла.
Таким образом, процесс рассеяния приводит к угловой зависимости интенсивности рассеянного света от параметров рассеивающих частиц.
Соответственно, точное решение обратной задачи должно давать информацию о рассеивающих объектах. Для этого надо измерить индикатрису рассеяния и иметь некоторую априорную информацию об объекте. Анализ индикатрис упругого рассеяния лазерного излучения позволяет исследовать слабопоглощающие биообъекты.
Измерение индикатрисы рассеяния заключается в освещении объекта пучком света и регистрации интенсивности рассеянного света под различными углами.
Приборы такого типа называются нефелометрами. Источником излучения в нем служит лазер с малой угловой расходимостью излучения, обычно He - Ne лазер,
а приемник рассеянного излучения может быть ориентирован под различными углами.
Распространение света в рассеивающей среде и изменением состояния поляризации при рассеянии, если изначально зондирующий пучок был поляризован.
Описание рассеяния с учетом поляризации лежит в основе лазерная поляризационной нефелометрии.
Лазерная томография. Для исследования in vivo - внутри организма внутренней структуры толстых слоев биоткани и органов развивается новый вид неразрушающей медицинской диагностики внутренних органов – оптическая диффузионная томография. метод получения трехмерных изображений внутренней структуры непрозрачных объектов.
74
Оптическая томография только приближается к своему клиническому воплощению.
Оптическая томография использует излучение ближнего ИК-диапазона из так называемого терапевтического окна (0,8 < λ< 1,0 мкм), где биоткани имеют минимальный уровень поглощения.
В настоящее время существует два основных направления развития медицинской оптической томографии: нерассеянный компонент из лучения выделяется и измеряется при помощи когерентных оптических методов
(интерферометрия, голография, лазерное гетеродинирование).
1. Оптическая когерентная томография когда нерассеянный компонент излучения выделяется и измеряется при помощи когерентных оптических методов:
интерферометрия, голография, лазерное гетеродинирование.
Использование данного метода позволяет получать изображение внутренней структуры объекта на глубине до ~1 мм с пространственным разрешением около 10
мкм.
Используется в основном in vitro исследование среза кожи и т. п
2. Оптическая диффузионная томография измеряет сильнорассеявшуюся компоненту излучения, прошедшего через толстый слой биоткани.
Целью данного вида томографии является исследование in vivo внутренней структуры толстых слоев биоткани и органов, таких, как голова или молочная железа.
В сравнении с другими видами томографии оптическая томография имеет так как использует оптическое излучении ближнего ИК диапазона, безвредного для человека. Кроме того, стоимость установок для оптической томографии во много раз меньше стоимости аппаратуры для других видов медицинской томографии.
Вместе с тем, несмотря на высокий технический уровень развития данного направления, в клинической практике оптические томографы еще широко не внедрены. Основной причиной тому является отсутствие подходящих алгоритмов реконструкции для оптической томографии.
75
Тесты, контрольные вопросы, ответы на тесты
Тесты
Выберите один правильный ответ:
1. При переходе атома с низшего энергетического уровня на высший...
а) атомом поглощается фотон б) атомом рассеивает фотон
в) атомом испускается два когерентных фотона г) происходит явление термоэлектронной эмиссии
2. Работа лазера основана
а) на поглощения света б) на явлении индуцированного излучения
в) на явлении рассевания света г) на явлении дисперсии света
3. При переходе атома с высшего энергетического уровня на высший...
а) атомом излучает фотон б) атомом рассеивает фотон
3) атомом испускается два когерентных фотона г) происходит явление термоэлектронной эмиссии
4. По типу активной среды лазеры подразделяются на…
а) аморфные б) твердотельные и аморфные
в) жидкостные, аморфные и газовые д) жидкостные, газовые и твердотельные
5. Открытый оптический резонатор состоит из
а) одного зеркала
76
б) двух зеркал
в) трех зеркал
г)четырех зеркал
6. Селекция поперечных мод можно осуществить с помощью
а) диафрагмы
б) линзами Френеля
в) призмы
г) дифракционной решеткой
7. Кольцевой резонатор состоит из
а) одного зеркала б) двух зеркал в) трех зеркал
г) бипризм Френеля
8. Спектр оптического резонатора
а) непрерывный
б)дискретный
в)полосатый
г) может быть и непрерывным и полосатым
9. Режим модулированной добротности лазера обеспечивается
а) дисперсионной призмой
б) дифракционной решеткой
в) диафрагмой
г) пассивным затвором
10. Непрерывный режим работы лазера обеспечивается
а) источником накачки
77
б) резонатором
в) модулятором
г) дисперсионными элементами резонатора
11.Генерация в газоразрядных лазерах возникает за счет энергии
а) ядерной реакции б) нагрева источником света
в) выделяемой при электрическом разряде г) движущееся струи газа
12.Газовые лазеры могут работать
а) в режиме свипирования частоты б) в режиме модулированной добротности в) в непрерывном режиме г) в режиме синхронизации мод
13.Генерация в оптических лазерах возникает за счет энергии
а) ядерной реакции б) оптического источника света
в) выделяемой при электрическом разряде г) движущееся струи газа
14.Генерация в химических лазерах возникает за счет энергии
а) химической реакции б) оптического источника света
в) выделяемой при электрическом разряде г) движущееся струи газа
15. Работа рубинового лазера основана на
78
а) трехуровневой схеме создания инверсии населенностей
б) явлении Фарадея
в) четырехуровневой схеме создания инверсии населенностей
г) явлении Пельтье
16. Работа неодимового лазера основана на
а) трехуровневой схеме создания инверсии населенностей
б) явлении Фарадея
в) четырехуровневой схеме создания инверсии населенностей
г) явлении Пельтье
17. К каким лазерам относятся инжекционные лазеры
а) к лазерам на свободных электронах б) полупроводниковым лазерам с накачкой оптическим излучением
в) полупроводниковым лазерам генерирующим за счет энергии электрического тока г) жидкостным лазеры.
18. Спектр излучения эксимерных лазеров лежит
а) в фиолетовое области спектра б) в красной области спектра в) в инфракрасной области спектра
г) в области рентгеновского излучения
19. Лазеры на красителях относятся к классу
а) жидкостных лазеров б) полупроводниковых лазеров в) твердотельные лазеров г) химических лазеров
79
20. Лазеры на красителях имеют
а) фиксированную частоту излучения б) позволяют обеспечивать плавную перестройку частоты в очень узком диапазоне
в ) позволяют обеспечивать плавную перестройку частоты в достаточно широком диапазоне г) широкий спектр излучения и позволят перестраивать частоту
21. Параметрические генераторы света имеют
а) фиксированную частоту излучения б) позволяют обеспечивать плавную перестройку частоты в очень узком диапазоне
в) позволяют обеспечивать плавную перестройку частоты в достаточно широком диапазоне г) широкий спектр излучения и позволят перестраивать частоту
22. Волоконные ВКР лазеры имеют
а) большую мощность б) малую мощность в) среднюю мощность г) очень низкую
23. ВКР лазеры имеют
а) фиксированную частоту излучения б) позволяют обеспечивать плавную перестройку частоты в очень узком диапазоне
в) позволяют обеспечивать плавную перестройку частоты в достаточно широком диапазоне г) широкий спектр излучения и позволят перестраивать частоту
24. Взаимодействие лазерного излучения с веществом определяется:
а) исключительно спектральными характеристиками лазерного излучения
б) исключительно характеристиками вещества
80