Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани

 

АО «Медицинский университет Астана»

Кафедра информатики, математики с курсом медбиофизики

 

 

СРС

Тема: «Механизмы действия  высокоинтенсивного лазерного излучения

на биологические ткани »

 

 

 

                                                                Выполнил студент факультета ОМ,

                                                             143 группы:  Мусатаев И.

                                                             Проверил(-а): доцент Калиева Ж.А.

                                                             Срок сдачи: 03.04.13

                                                             Оценка:

 

 

 

 

Астана 2013

 

План.

Введение………………………………………………………………….……. ……. .3

1. Квантовая электроника…………………………………………………………...4

2. Индуцированное излучение……………………………………………………...6

3. История развития лазерной техники.................................................................6

4. Принцип устройства лазера…………………………………………………...…8

5. Свойства лазерного излучения………………………………………………….10

6.  Низкоинтенсивные лазеры, свойства, действие на биологические ткани…………………………………………………………………………………...10

7. Высокоинтенсивные лазеры, свойства, действие на биологические ткани…………………………………………………………………………………...12

8. Действие лазерного излучения на  ДНК…………………………………….....13

9. Применение лазеров в медицине….………………………………………..…..13

Заключение…………………………………………………………………….……..17

Список использованной литературы………………………………………..………18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В настоящее время лазерные медицинские технологии широко используются в клинической медицине как методы эффективной избирательной деструкции патологически измененных тканей (высокоинтенсивные излучения) с одной стороны и для стимуляции обменных процессов в клетках (низкоинтенсивные излучения) - с другой.

Высокоинтенсивные лазерные воздействия (8 Дж/см2 и более) применяются в качестве лазерного скальпеля при эндоваскулярных и других хирургических вмешательствах, для локальной интерстициальной гипертермии в онкологии. Высокоинтенсивные лазерные воздействия приводят к изменениям физического состояния тканей, вызывая в них абляцию, коагуляцию и гипертермию.

Низкоинтенсивные лазерные воздействия (0,1 3,0 Дж/см2) с успехом используются почти во всех областях медицины для коррекции нарушений иммунитета, улучшения реологических свойств крови и микроциркуляции, усиления процессов репарации. Биологическое действие низкоинтенсивных лазерных излучений связывают с изменениями в клетках концентрации цитозольного кальция, фосфолипидов мембран, а также с образованием активных форм кислорода.

При переходе лазерных воздействий из категории низкоинтенсивных в высокоинтенсивные выявляется диапазон доз (3,0 - 8,0 Дж/см2) - средней интенсивности, в котором лазерные излучения, по-видимому, ещё не проявляют деструктивное действие, но уже утрачивают биостимулирующий эффект в клетках. Отдельные работы по применению среднеинтенсив-ных лазерных энергий показали, что в данном переходном диапазоне терапевтический эффект все-таки выявляется, а особую актуальность приобретают такие характеристики излучения как суммарная доза, время импульса, длина волны.

Лазерные излучения среднеэнергетического диапазона в клинической медицине в настоящее время остаются практически невостребованными ввиду недостаточности знаний о механизмах их действия на ткани. В то же время в клинической практике при лечении хронических дегенеративно-деструктивных процессов во внутренних органах, в сосудах и коже возможности изолированного применения высоко и низкоинтенсивных лазерных излучений в ряде случаев весьма ограничены по причине неадекватности применяемых энергий состоянию тканей. В этих ситуациях деструкция тканей высокоинтенсивным лазерным излучением также неоправданна, как и упование на биостимулирующий эффект низкоинтенсивного лазерного воздействия. В связи с этим интерес к анализу механизмов и эффектов средне-интенсивного лазерного излучения с тканями продиктован запросами практической и теоретической медицины.

 

 

 

 

1. Квантовая электроника

Квантовая электроника — область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем.

Квантовая механика — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка (коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой, h=6,626*10-34 Дж*с).

В классической электронике генерация электромагнитного излучения осуществляется за счет кинетической энергии свободных электронов, согласованно движущихся в колебательном контуре.

В квантовой электронике энергия излучения берется из внутренней энергии квантовых систем (атомов, молекул, ионов), высвобождаемой при излучательных переходах между ее уровнями энергии. Излучательные переходы бывают трех видов — спонтанное излучение, вынужденное (индуцированное) излучение и поглощение.

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным. Оно случайно и хаотично по времени, частоте, по направлению распространения и поляризации.

Таким образом, спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Вынужденное излучение возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии.

Поглощение электромагнитного излучения — это процесс поглощения одного или нескольких фотонов другой частицей, в результате чего энергия фотонов переходит в энергию этой частицы. В макромире это взаимодействие выглядит как переход электромагнитной энергии в другие виды энергии, например, в тепловую энергию.

 

Физические основы квантовой электроники.

Свет и радиоволны являются электромагнитным излучением, порции которого кванты (или фотоны) могут испускаться атомами, молекулами и др. квантовыми системами, обладающими некоторой избыточной внутренней энергией (возбуждёнными частицами). Внутренняя энергия атома (или молекулы) может принимать только лишь некоторые строго определённые дискретные значения, называемые уровнями энергии. Уменьшение внутренней энергии означает переход атома с более высокого уровня энергии на более низкий. Если при этом избыток энергии отдаётся в виде кванта излучения, то частота излучаемых волн n определяется условием Бора:

 

n =

,

где h = 6,62×10–27 Дж×сек — постоянная Планка. Аналогично увеличение внутренней энергии атома означает его переход с нижнего уровня E1 на верхний E2. Если это увеличение связано с поглощением кванта излучения, то частота поглощаемого излучения определяется тем же условием (1), т. е., условие (1) определяет частоту спектральной линии поглощения или излучения, характерную для данных частиц.

Возбуждённые частицы могут отдавать свою энергию в виде квантов излучения двумя способами. Возбуждённые частицы неустойчивы, и для каждой из них существует определённая вероятность самопроизвольно (спонтанно) испустить квант излучения . Акты спонтанного испускания происходят случайно, поэтому спонтанное излучение носит хаотический характер. Фотоны испускаются различными частицами в различные моменты времени, имеют разную частоту, поляризацию и направление распространения. Интенсивность спонтанного излучения пропорциональна кубу частоты и поэтому резко падает при переходе от световых волн к радиоволнам. Все нелазерные источники света (лампы накаливания, газоразрядные лампы и т.п.) излучают свет в результате актов спонтанного излучения. В радиодиапазоне такой же характер имеют шумы электронных устройств и тепловое радиоизлучение нагретых тел. 
 Возбуждённые частицы могут испускать фотоны, переходя с верхнего уровня энергии E2 на нижний уровень E1 не только самопроизвольно, но и под воздействием внешнего излучения (вынужденно), если частота этого внешнего излучения удовлетворяет условию (1) . Вероятность вынужденного испускания, предсказанного А. Эйнштейном (1917), пропорциональна интенсивности вынуждающего излучения и может превосходить вероятность спонтанного процесса. Т. о., в процесс вынужденного испускания вовлечены два кванта излучения: первичный, вынуждающий, и вторичный, испущенный возбуждённым атомом. Существенно, что вторичные кванты неотличимы от первичных. Они обладают в точности такой же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения. На эту особенность вынужденного излучения, имеющую основополагающее значение для Квантовая электроника, впервые указал П. Дирак (1927). Тождественные кванты формируют электромагнитную волну, являющуюся точной усиленной копией исходного излучения. С ростом числа актов вынужденного испускания в 1 сек интенсивность волны возрастает, а её частота, фаза, поляризация и направление распространения остаются неизменными. Происходит когерентное усиление электромагнитного излучения . 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Индуцированное излучение.

       В 1964 году на церемонии присуждения Нобелевской премии в Стокгольме академик А.М. Прохоров сказал: «Квантовая электроника возникла в конце 1954 и начале 1955 года, фундаментом квантовой электроники следует считать явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 году».

Вынужденное (индуцированное излучение) - генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными. Данное обстоятельство используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вынужденное излучение возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При таком излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т.е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Следовательно, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

 

3. История развития лазерной техники.

 

   Созданию лазеров человечество, прежде всего, обязано глубоким теоретическим разработкам в области квантовой физики, электроники, оптики ряда величайших ученых прошлого столетия: А. Эйнштейна, А. Прохорова, Н. Басова, Ч. Таунса, А. Меймана, Дж., Гоулда и многих других. Первоначально лазерное излучение с его уникальными свойствами рассматривалось, прежде всего, как возможное новое мощное оружие для поражения живой силы и техники. Поэтому наиболее индустриально развитые страны направили на развитие новой отрасли огромные ресурсы, что позволило обнаружить и другие перспективные области использование лазерной техники и технологии.

Первые лазеры на твердом теле — рубине, генерировали излучение в импульсном режиме с очень малой частотой и энергией в импульсе. Их к.п.д. также был очень мал (десятые доли процента). Поэтому их использовали в основном для прошивки прецизионных отверстий малых диаметром в труднообрабатываемых материалах. Позже появились более эффективные лазеры на неодимовом стекле, а также газовые лазеры на СО2. Газовые лазеры генерируют как импульсное излучение с высокой частотой, так и непрерывное излучение. Мощность излучения уже измеряется сотнями ватт и десятками киловатт. К.п.д. таких лазеров не превышает 10 %, поэтому оборудование довольно громоздко из-за габаритных и мощных систем охлаждения. Разработаны вполне надежные эксимерные лазеры, генерирующие излучения в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра.  

В последние годы нашли широкое распространение новые разработки диодных лазеров, обладающие высоким к.п.д. Их также используют для накачки твердотельных лазеров вместо менее эффективных газоразрядных ламп накачки. В технологии уже нашли широкое применение мощные (до нескольких кВт) диодные лазеры, позволяющие создать компактное оборудование для промышленных целей. Самой значительной разработкой последнего времени можно считать создание широкой гаммы оптоволоконных лазеров мощностью до нескольких кВт с к.п.д. до 60 % и выше. Такие современные лазерные системы встраиваются в роботизированные технологические комплексы и находят широкое применение в различных отраслях промышленности — электронной, автомобильной, аэрокосмической и др.

Промышленность стала выпускать универсальное и специализированное оборудование. Наиболее известные производители в Украине — НПО «Ротор», в России — НИИ «Полюс», в США — Coherent Radiation, AVCO Everett, IPJ Technology, в Германии — Rofin Sinar, Trumph и др.

 

Основные даты.

• 1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения — физической основы работы любого лазера.
• Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в 1927—1930 гг.
• 1928 год: экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения.
• В 1940 г. В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией населённостей для усиленияэлектромагнитного излучения.
• 1950 год: А. Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсной населённости. Реализован на практике в1952 году Бросселем, Кастлером и Винтером. До создания квантового генератора оставался один шаг: ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в резонатор.
• 1954 год: первый микроволновой генератор — мазер на аммиаке (Ч. Таунс, Басов Н.Г. и Прохоров А.М. — Нобелевская премия по физике 1964 года). Роль обратной связи игралобъёмный резонатор, размеры которого были порядка 12,6 мм (длина волны, излучаемой при переходе аммиака с возбуждённого колебательного уровня на основной). Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно.
• 1960 год: 16 мая Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В качестве активной среды использовался кристалл искусственногорубина (оксид алюминия Al2O3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор Фабри-Перо, образованный серебряными зеркальными покрытиями, нанесенными на торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны в 694,3 нм. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот). Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света.
• Физика лазеров и по сей день интенсивно развивается. С момента изобретения лазера почти каждый год появлялись всё новые его виды, приспособленные для различных целей. В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода,химические лазеры. В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие лазеры.