2. Некоторые свойства биологических тканей

Действие лазерного излучения на биологический материал обусловлено взаимодействием фотонов с молекулами и соединениями молекул ткани, последующими молекулярными процессами и биологическими реакциями.

Характер и интенсивность воздействия излучения на биоткань зависят:

– от свойств лазерного излучения (длина волны λ, плотность мощности излучения q, длительность облучения τ, частота повторения воздействия f),

– от свойств биологической ткани. При этом принципиально важными являются два комплекса свойств ткани: оптические свойства и теплофизические свойства.

2.1. Оптические свойства ткани

При падении пучка лазерного излучения на поверхность биологической ткани могут наблюдаться отражение, поглощение, рассеяние и пропускание.

Рассмотрим, как это происходит, на примере падения излучения на поверхность кожи. Кожа состоит из рогового слоя (толщиной 10 – 200 мкм), эпидермиса (40 – 150 мкм) и дермы (1000 – 4000 мкм). Непосредственно от поверхности обычно отражается небольшая доля излучения.

Излучение проникает в роговой слой, в нем частично поглощается, частично рассеивается, частично проходит в эпидермис (если глубина проникновения излучения достаточна). В эпидермисе излучение также частично поглощается, частично рассеивается, частично проходит в дерму. В дерме излучение также частично поглощается, частично рассеивается. Часть рассеянного излучения выходит над поверхностью кожи, образуя диффузное отраженное излучение. В зависимости от длины волны падающего излучения отражается до 60% излучения.

Таким образом, существенной особенностью распространения излучения в биологической ткани является рассеяние излучения, которое может быть значительным. Рассеяние излучения в биоткани происходит вследствие того, что структура биологической ткани имеет негомогенный характер, ячеистую структуру и определяется разными показателями преломления у разных ячеек и у ячеек и окружающей их средой. Рассеяние в биологической ткани зависит от длины волны лазерного излучения.

Поглощение излучения также зависит от длины волны излучения (см. рисунок 5). В УФ диапазоне поглощение определяется содержанием белка, в ИК диапазоне поглощение – содержанием воды. Кроме того, поглощение излучения гемопротеинами, пигментами, нуклеиновыми кислотами и другими макромолекулами сильно зависит от длины волны излучения. Большинство органических молекул, также как и протеины, интенсивно поглощают излучение УФ диапазона. Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает излучение, начиная с УФ области, включая зеленую и желтую область видимой части спектра до длины волны 600 нм. Меланин, важнейший эпидермальный хромофор, поглощает во всей видимой части спектра.

Таблица 4. Качественные характеристики рассеяния излучения в биоткани.

Тип лазера	Область спектра, мкм	Глубина проникновения излучения	Рассеяние
Эксимерные лазеры УФ диапазона	УФ 0,193, 0,248, 0,308, 0,351	1-20 мкм	не велико
Ar	0,450 - 0,590	0,5-2,5 мм	значительно (15-40%)
Nd:YAG	0,590 - 1,5	2-8 мм	доминирует
Er:YAG, CO2	ИК 2,9, 10,6	1-20 мкм	не велико

Рисунок 5. Спектры поглощения основных хромофоров биоткани.

Вообще в УФ, видимой и ближней ИК области спектра лазерное излучение поглощается в основном электронами атомов и затем преобразуется в тепло при безызлучательной релаксации. В средней и дальней ИК области излучение поглощается возбуждением вращательного и колебательного состояний молекул. Посредством атомарного и молекулярного поглощения и последующей релаксации возбужденных частиц оптическая энергия преобразуется в тепловую.

В диапазоне от 600 нм до 1200 нм излучение глубже проникает в ткань, с минимальными потерями на рассеяние и поглощение. В этом диапазоне можно достигнуть глубоко расположенных объектов.

Применение лазеров зависит от спектральной поглощающей способности биологических тканей. Такие лазеры как Ar лазер, лазеры на красителях, Nd:YAG, Nd:YAG с удвоением частоты действуют преимущественно на гемоглобин, меланин и другие органические вещества и поэтому имеют коагуляционный эффект. СО₂ и Er:YAG (λ=2,9 мкм) лазеры из-за высокого поглощения их излучения водой подходят для рассечения ткани.

Таблица 5. Поглощение лазерного излучения в воде и крови.

Лазер	Показатель поглощения, см-1		Средняя глубина проникновения
	вода	кровь	вода	кровь
СО2	103	103	10 мкм	10 мкм
Nd:YAG	10-1	4	10 см	<2 мм
Ar	10-3	330	10 м	30 мкм

Как следует из таблицы, излучение СО₂ лазера проникает в ткани на глубину всего лишь 10 мкм. Вся его мощность поглощается в поверхностных ячеистых слоях. Излучение аргонового лазера свободно распространяется в воде, но в крови поглощается в верхнем слое толщиной несколько десятков микрон. Nd:YAG лазер занимает промежуточное положение при распространении излучения в воде, в крови поглощение идет в слое несколько миллиметров.

Для успешного использования лазеров в медицине и расширения областей их применения важными являются спектральные характеристики поглощения различных тканей. На их основе можно предсказать эффективность применения различных лазеров и выбрать оптимальный.

Для получения спектральных характеристик поглощения излучения в тканях используются методы оптической спектроскопии. Обычно пользуются спектрами пропускания, так как их проще получить. Но необходимо всегда помнить о том, что в биологических тканях возможно интенсивное рассеяние излучения. Оно, так же, как и поглощение, вносит свой вклад в уменьшение пропускания. Например, при воздействии излучения Nd:YAG лазера на кровь небольшая глубина проникновения излучения определяется не поглощающими свойствами гемоглобина, а интенсивным рассеянием излучения на клеточных элементах крови.

Таблица 6. Нормальные ( ) и скорректированные на рассеяние ( ) показатели поглощения и глубины проникновения в мягкую ткань лазерного излучения.

Длина волны	Показатель поглощения		Оптическая глубина проникновения
, нм	,	,	, мкм	, мкм
193	>400	>5000	<25	2
248	600	5000	17	2
308	200	1670	50	6
351	40	170	250	60
532	12	42	830	240
1064	4	5	1500	1900
1320	8		1250
2060	35		286
2700	1000		10
2940	>2700		<4
9600	700		14
10600	600		17

Если для конкретного медицинского приложения лазер уже выбран (по спектральным характеристикам пропускания с учетом возможного рассеяния излучения), то для определения результатов воздействия необходимо оценить характеристики поглощения излучения в данной ткани. Для длин волн больше 10 мкм глубина проникновения излучения может быть рассчитана на основе экспоненциального закона, плотность мощности q коллимированного пучка излучения, прошедшего через слой толщиной d, определяется соотношением:

, (1)

где - интенсивность излучения при входе в вещество, - показатель поглощения. Для монохроматического излучения длиной волны

, (2)

где n и k – действительная и мнимая части комплексного показателя преломления вещества.

Приведенные соотношения справедливы в том случае, когда поглощение намного превышает рассеяние. При наличии как поглощения, так и рассеяния распространение излучения в веществе может быть описано уравнением

, (3)

где q – плотность мощности излучения коллимированного пучка, r, z – координаты, (z – направление луча), γ – показатель ослабления (сумма показателей поглощения и рассеяния).