Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани

 

4. Принцип устройства лазера.

 

Лазер - квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов:

• Источник энергии (механизм «накачки»)
• Рабочее тело
• Система зеркал («оптический резонатор»)

 

Источник энергии

Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать:

• электрический разрядник
• импульсная лампа
• дуговая лампа
• другой лазер
• химическая реакция
• взрывчатое вещество

      Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазерыиспользуют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

 

 

Рабочее тело

     Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучениефотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

• Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.
• Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
• Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекла. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовоестекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
• Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Оптический резонатор

      Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Как правило, в твердотельных лазерах зеркала формируются на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях - на торцах колбы с рабочим телом.

Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным.

Дополнительные устройства

       Также в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

 

 

5. Свойства лазерного излучения.

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.

1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.

Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.

2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.

Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

 

 

 

6. Низкоинтенсивные лазеры, свойства,

действие на биологические ткани.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см2, чаще всего – 0,1 Вт/см2)  - терапевтические, и высокоинтенсивные – хирургические, интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 1014  Вт/см2 , в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 102 -10 6 Вт/см 2.

Низкоинтенсивные лазеры – это такие лазеры, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и УФ областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Лазерное воздействие, безусловно, проявляется как многоуровневое влияние на организм: от возникновения возбужденных состояний и конформаци- онной перестройки молекул, изменения кислородного баланса и активности окислительно-восстановительных процессов, изменения мембранного потенциала клетки, изменения рН межклеточной жидкости, микроциркуляции и др. до возникновения на уровне организма ответных комплексных адаптационных нейрорефлекторных и нейрогуморальных реакций с активацией иммунной системы.

При воздействии низкоинтенсивным лазерным излучением на поверхностные биоткани человека (кожа, подкожная жировая клетчатка, жировые скопления и мышцы) происходят следующие положительные изменения:

-  ликвидация сопутствующих или параллельно протекающих воспалительных процессов;

-   усиление местного и общего иммунитета, и как следствие этого, антибактериальное действие;

-   замедление старения клеток и внеклеточной соединительной ткани;

-   улучшение эластичности и снижение плотности эпидермиса и дермы;

-    увеличение толщины эпидермального слоя и дермоэпидермального соединения за счет увеличения числа митозов и уменьшения десквама- ции;

-   реконструкция дермы за счет упорядочения структуры эластичных кол- лагеновых волокон с восстановлением водного сектора и уменьшением количества коллоидных масс;

-   увеличение количества потовых и сальных желез с нормализацией их активности с сохранением гомогенности, восстановление массы жировой ткани параллельно с нормализацией в ней метаболических процессов;

-   фиксация скоплений жировой ткани на своем естественном месте, увеличение мышечной массы с улучшением метаболических процессов и как результат вышеперечисленных изменений - снижение степени провисания (птоза);

-   стимуляция роста волос за счет усиления микроциркуляции и улучшения питания тканей.

 

Перечисленных эффектов лазерной терапии можно достичь только при ее систематическом и длительном применении!

 

 

 

 

 

 

7. Высокоинтенсивные лазеры, свойства,

действие на биологические ткани.

При использовании высокоинтенсивных лазеров наблюдаются качественно новые явления. В лабораторных фотохимических экспериментах с обычными источниками света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии, сформулированным Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию.

Однофотонность поглощения выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически невозможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Однако если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой гамма-излучением.

Поглощение любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается водой и вызывает в основном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают  в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 107 Вт/см2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся газовый СО2-лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазер (1,064 мкм) и другие.  Nd:YAG –лазер – наиболее широко используемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd3+), введенных в кристаллы Y3Al5O12  иттрий-алюминиевого граната. (YAG)

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 градусов C необратимые повреждения не наблюдаются. При температурах 60 градусов С и выше начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100-150 гр.С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах выше 300 ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющегося тепла велико. В ткани возникает температурный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях происходит обугливание и коагуляция. Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавляивается кровотечение. Так, сфокусированным лучом CO2 лазера (10,6 мкм) с мощностью около 2*104 Вт/см2 пользуются как хирургическим скальпелем.

Фотоабляция – возникает при уменьшении длительности воздействия(10-9-10-6 с) и с увеличением интенсивности (выше 106 Вт/см2).

Оптический пробой – из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения материя ионизируется, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. 

 

8. Действие лазерного излучения на ДНК.

Облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой гамма-излучением

Вызывает у микроорганизмов в зависимости от дозы облучения изменения морфологических и биохимических свойств, вплоть до утраты жизнеспособности. Гибнут бактерии при воздействии лазера длинной волны около 700 нм с энергией 200 Дж. При этом происходит денатурация белка и повреждение нуклеиновых кислот.

 

9. Применение лазеров в медицине.

Низкоинтенсивное лазерное излучение стимулирует метаболическую активность клетки. Стимуляция биосинтетических процессов может быть одним из важных моментов, определяющих действие низкоинтенсивного излучения лазера на важнейшие функции клеток и тканей, процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления). 
Лазерное излучение устраняет дисбаланс в центральной нервной системе.  
 Однако,следует обратить внимание, что в зависимости от дозы лазерного излучения можно получить как стимулирующий так и угнетающий эффекты, Это очень важно. Эти факты необходимо использовать при применении лазера у ослабленных больных, в педиатрии, при хронических заболеваниях.  
 Лазерная терапия может проводиться, как самостоятельный метод, так и в комплексе с медикаментозным лечением, в том числе гормональном и с методами физиотерапии. При этом необходимо иметь в виду, что в процессе лечения чувствительность организма к лекарственным средствам изменяется и появляется необходимость в уменьшении обычных дозировок иногда до 50%, а в ряде случаев и отказаться.  
 С учетом патогенетического механизма действия лазерного излучения на организм разработаны показания к лазеротерапии.