2.4 Біологічні ефекти, які виникають у тканині під впливом лазерного випромінювання
В залежності від потужності, лазерне випромінювання може викликати три різні ефекти в біологічній тканині. При малій і середній потужності будуть відбуватися хімічні та метаболічні реакції в клітинах тканини (біостимуляційні процеси). З ростом потужності випромінювання виникає термічний ефект, який широко використовують у хірургії для термічного випаровування тканини (лазер СО , імпульсний режим ІАГ:Nd) чи коагуляції (аргоновий лазер, постійний режим ІАГ:Nd). При екстремально високій потужності у випадку короткотривалих імпульсів тканина підлягає "мікровибуху" перед її термічним розкладом (ексимерні і барвникові лазери, ІАГ:Nd в режимі модульованої добротності).
Отже розрізняють три групи фотобіологічних ефектів при взаємодії лазерного випромінювання з тканиною:
1) фотобіохімічні ефекти;
2) фототермічні ефекти;
3) фотоіонізаційні ефекти;
Перша група об'єднує такі фотонні механізми, як фотоіндукція (фотозбудження), фоторезонанс і фотоактивація, які складають біостимуляційні процеси. Серед фотобіохімічних виділяють підгрупу так званих фотодинамічних ефектів, які використовуються в медицині для лазерної діагностики. Друга група - термічні ефекти. Оптичне випромінювання перетворюється в тепло і викликає коагуляцію, випаровування або карбонізацію (обвуглення), в залежності від викликаної в тканині температури.
Третя група об'єднує фотоабляцію (деструкційна нетермічна дія) і фотоподріблення.
Порівняння всіх описаних процесів представлено в табл.2.1.
На рис.2.10. схематично показано часову послідовність біофізичних процесів, які виникають від моменту подання лазерного світла на тканину [1].
Рисунок 2.10 – Схема часової послідовності біофізичних процесів
2.4.1 Фотобіохімічні ефекти - біостимуляція
Під біостимуляційними ефектами розуміють такі, які, внаслідок освітлення лазерним випромінюванням, не викликають зростання місцевої температури тканини більше ніж на 1оС. Ці ефекти спостерігаються у випадку освітлення лазерами малої і середньої потужності. Найбільшого зростання місцевої температури до 1.1оС досягли японські терапевти при освітленні випромінюванням з довжиною хвилі 830 нм потужністю 60 мВт на протягом 4 хв.
З ростом потужності випромінювання більше ніж 60 мВт з’являється ефект дальшого невеликого росту температури, а з ним - явище термічної біостимуляції. Температура тканини, однак, і тоді не перевищує 42оС. Рекомендовано в лазеротерапії не перевищувати постійну або середню потужність більше ніж 60 мВт.
Механізм феномену лазерної біостимуляції пояснюють різні гіпотези, основними з яких вважаються: гіпотеза прямої дії на організм через резонансне поглинання на молекулярному рівні, гіпотеза ефекту на системному рівні через реакцію гомеостазу у відповідь на світлову хвилю НЕ-Ne лазера, гіпотеза поляризаційно-неселективного ефекту низько-інтенсивного лазерного випромінювання (НІЛВ) на клітинні мембрани, гіпотеза існування в клітинах живих організмів спеціальної фоторегулювальної системи, схожої до тієї, яка має місце в рослинах і бактеріях. Коротко розглянемо ці гіпотези.
Таблиця 2.1 - Порівняльний аналіз процесів взаємодії лазерного випромінювання з тканиною:
Ефекти |
Способи дії |
Фотобіохімічні: - фотобіоактивація; - фоторадіація; - фоторезонанс; - фотодинамічні |
Враховуючи абсорбцію енергії фотоакцепторами - біостимуляція Лазеротерапія Фотохіміотерапія |
Продовження таблиці 2.1
Фототермічні: - фототермоліз (розклад під впливом тепла); - фотогіпертермія (надмірний перегрів під впливом світла);
- фотокоагуляція;
- фотокарбонізація;
- фотовипаровування. |
Термічно- динамічний вплив
(37-42)0С - не наступають необоротні зміни тканини; (43-60)0С – пошкодження оболонок клітин, спалювання тканини, денатурація ензимів). 600С - денатурація білків; <800С - денатурація колагену; (60-100)0С - коагуляція, змертвіння тканини (некроз) (100-300)0С - висушування, випаровування води, обвуглення; >3000С - піроліз (термічний розклад, випаровування головних складників тканини). |
Фотоіонізація: - фотоабляція (процес розриву хімічних зв´язків під впливом світла); - фотоподріблення |
швидкий “мікровибух”
ударна хвиля, викликана імпульсом світла |