Лазерное излучение и его взаимодействия с физическими объектами. Его применение в медицине

Министерство образования и найти Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образование

учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»

 

Факультет электротехнический

Кафедра «Промышленная электроника»

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Взаимодействие физических полей с биообъектами»

Лазерное излучение и его взаимодействия с физическими объектами. Его применение в медицине.

 

 

 

 

 

Студент группы 2БМб-1              А.В. Новикова

Преподаватель                               Д.А. Киба

 

 

 

2014

 

Содержание

Введение………………………………………………………………..  3

1 Особенности лазерного  излучения………………………………...  4

2 Воздействие лазерного  излучения на организм…………………..  7

3 Применение лазеров в  биомедицине для диагностики…………...  9

4 Лазерная хирургия………………………………………………….  13

5 Методы защиты от лазерного  излучения…………………………  20

Заключение……………………………………………………………  21

Список использованных источников………………………………..  22

 

Введение

 

Лазер (от английского Lighting amplification by stimulated emission of radiation) - устройство, предназначенный для выработки и усиления электромагнитной энергии оптического диапазона частот с использованием процесса управляемой индукционной эмиссии. Он работает на принципе индуцированного излучения, получаемого при оптической накачке (например, воздействием импульсов света) термически неравновесной (активной) среды, в качестве которой служат диэлектрические кристаллы, стекло, газы, полупроводники и плазма.

Отдельные атомы таких материалов при попадании на них фотона обладают свойствами перехода с верхнего энергетического уровня на нижний уровень с испусканием двух фотонов, индуцированных с той же частотой, поляризацией и направлением распространения.

Примером может служить рубиновый оптический квантовый генератор, в котором рабочим телом является рубин. Мощность в импульсе составляет около 100 МВт при мощности на возбуждение около 20 кВт/см3, а температура, создаваемая лазерным пучком, может достигать 1015 К (примерно в 1011 раз больше температуры Солнца).

Существуют и другие виды лазеров с твердым телом, например из ниодимового стекла, флюоритита кальция с примесью атомов таких редкоземельных элементов, как диспрозий, самарий и пр. (длина волны излучения равна 1,06 мкм), или газовые лазеры, например гелий – ниодимовые лазеры (длина волны излучения равна 632,8 нм; 1,15 и 3,39 мкм) и др.

В процессе изготовления, испытания и эксплуатации лазерных изделий на обслуживающий персонал могут воздействовать физические, химические и психофизиологические опасные и вредные факторы.

 

1 Особенности  лазерного излучения

 

Лазерное излучение возникает в результате индуцированных переходов между уровнями энергии частиц среды, обладающей инверсной населенностью этих уровней (т. е. при большей концентрации частиц на верхнем уровне энергии по сравнению с нижним). Излучение, создаваемое обычными источниками света (тепловыми, люминесцентными и т. п.), отличается от лазерного тем, что основной вклад в излучение дают спонтанные переходы с возбужденного уровня, тогда как в лазере преобладает индуцированное излучение. Этим объясняются уникальные особенности лазерного излучения по сравнению с излучением традиционных источников.

Именно лазерные источники обладают высокой степенью когерентности (индуцированное излучение представляет собой поток идентичных фотонов). Это означает, что лазерное излучение характеризуется исключительно высокой степенью монохроматичности (временной когерентности), позволяющей реализовывать значения спектральной плотности до Вт/Гц, что в раз превышает значение аналогичной величины при термоядерном взрыве. Возможность получения высоких уровней мощности лазерного излучения (до Вт) и сосредоточения значительной энергии в импульсе (до Дж) позволяет вызвать многофотонные и другие нелинейные процессы в биосреде, локальный тепловой нагрев, быстрое испарение, гидродинамический удар и т. д. Однако интерес представляют не только уникальные возможности разрушения среды. Высокая монохроматичность позволяет: проводить спектральный анализ с разрешением на много порядков выше, чем разрешение обычных спектрометров; осуществлять возбуждение определенных молекул в смеси; применять голографические и интерференционные методы когерентной диагностики биообъектов.

В свою очередь высокая пространственная когерентность дает возможность добиться уникальной пространственной сосредоточенности излучения в малых телесных углах и тем самым обеспечить высокую направленность, благодаря которой уже в первые годы после создания лазеров была проведена локация Луны с измерением деталей профиля лунной поверхности, не различимых никакими другими способами локации. Для большинства лазеров расходимость лазерного пучка (угол ) составляет несколько тысячных радиана (рис. 1), что позволяет получить размер пятна в фокусе порядка длины волны излучения с глубиной резкости порядка  *. Поэтому лазер можно использовать в качестве источника света для микроскопии. В некоторых случаях можно сосредоточить энергию в слое до 0,01 мкм и за счет этого проводить «внутриклеточную хирургию». Малая расходимость лазерного пучка необходима также для обеспечения локальности исследований и эффективной транспортировки излучения по гибким световодам, чего традиционные (некогерентные) источники обеспечить не могут.

                        

Рисунок 1 – Схема лазера

Кроме того, возможность управления фазовыми соотношениями в лазерном излучении позволяет создавать сверхкороткие импульсы длительностью до отдельных периодов световой волны( с). Это особенно важно для биомедицины, поскольку дает возможность изучал очсиь быстрые первичные фотопроиессы прямыми, а хе косвенными методами, а таюке многоступенчато возбуждать высокие энергетические состояния молекул за время, значительно меньшее, чем время релаксации любого промежуточного состояния.

Наличие перестраиваемых лазеров во всей области от УФ• излучения до ИК-излучения позволяет селективно практически любые состояния биомолекул и отдельных их фрагментов.

 

2 Воздействие  лазерного излучения на организм

 

Лазерное излучение представляет собой вид электромагнитного излучения, генерируемого в оптическом диапазоне длин волн 0,1…1000 мкм. Отличие его от других видов излучения заключается в монохромности, когерентности и высокой степени направленности. Благодаря малой расходимости луча лазера плотность потока мощности может достигать 1016…1017 Вт/м2.

Эффекты воздействия (тепловой, фотохимический, ударно – акустический и др.) определяются механизмом взаимодействия лазерного излучения с тканями и зависят от энергетических и временных параметров излучения, а также от биологических и физики – химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Лазерное излучение представляет особую опасность для тканей, максимально поглощающих излучение. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика глаза, а также способность оптической системы глаза многократно увеличивать плотность энергии(мощность) излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона (780<λ<1400 нм) на глазном дне по отношению к роговице делают глаз наиболее уязвимым органом.

При повреждении появляется боль в глазах, спазм век, слезотечение, отек век и глазного яблока, помутнение сетчатки, кровоизлияние.  Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Ультрафиолетовое излучение вызывает фотокератит, средневолновое  инфракрасное излучение(1400<λ<3000 нм) может вызвать отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза; дальнее ИК – излучение (3000<λ<106 нм) – ожог роговицы.

Повреждение кожи может быть вызвано лазерным излучением любой длинны волны в спектральном диапазоне 180…100000 нм. Характер поражения кожи аналогичен термическим ожогам. Степень тяжести повреждения кожи, а в некоторых случаях и всего организма, зависит от энергии излучения, длительности воздействия, площади поражения, ее локализации, добавления вторичных источников воздействия (горение, тление). Минимальное повреждение кожи развивается при плотности энергии 1000…10000 Дж/м2.

Лазерное излучение дальней инфракрасной области (>1400 нм) способно проникать через ткани тела на значительную глубину, поражая внутренние органы (прямое лазерное излучение).

Длительное хроническое действие диффузно отраженного лазерного излучения нетепловой интенсивности может вызывать неспецифические, преимущественно вегетативно – сосудистые нарушения; функциональные сдвиги могут наблюдаться со стороны нервной, сердечно – сосудистой системы, желез внутренней секреции. Работающие жалуются на головные боли, повышенную утомляемость, раздражительность, потливость.

 

3 Применение лазеров в биомедицине для диагностики

 

Задача диагностики -достоверное извлечение информации о состоянии организма н патологических изменениях в нем. С этой точки зрения любое воздействие извне нежелательно, поскольку оно так или иначе искажает истинную картину происходящих в организме процессов. Однако без воздействия нет и отклика организма, который является единственным источником необходимой информации.

При диагностике низкоинтенсивные воздействия, не вызывающие необратимых изменений в организме, применяются значительно шире, чем высокоинтенсивные, после которых биоткань либо перестает существовать вообще как организованная структура, либо погибает как биоткань. Однако совсем исключать возможность применения высокоинтенсивного лазерного излучения для диагностики нецелесообразно, поскольку имеется ряд приме- ров весьма эффективной диагностики заболеваний по анализу продуктов разрушения бнотканях высокоинтенсивным излучением, по самому характеру изменения биоткани в процессе облучения и т. п. Поэтому применение лазеров всегда должно был привязано к конкретной диагностической задаче и в сущности, оно не поддается общей классификации.

В любом случае при воздействии с целью диагностики следует соблюдал условия малости энергии взаимодействия лазерного излучения с биообъектом по сравнению с запасенной в объекте энергией и максимальной локальностью. Трудность соблюдения этих условий на практике, по-видимому, является основной причиной того, что диагностические применения лазеров до сих пор составляют ничтожно малую полю от всех видов применения лазеров в медицине, хотя богатейшие возможности лазерной диагностики с самого начала не вызывали и сейчас не вызывают сомнений.

Существуют десятки различных методов определения физиологических параметров клетки и организма, основанные на флуоресцентном анализе. Они делятся на разрушающие и неразрушающие методы диагностики в биомедицине с помощью лазеров.

В основе применения лазерных методов диагностики в медицине лежит тот факт, что все органические макромолекулы (белки, НК, полисахариды), все форменные элементы крови, большинство жирных кислот и аминокислот, нуклеотидов и другие биохимические компоненты клеточных и внутриядерных субстратов обладают характерными спектрами оптического поглощения, отражения, рассеяния и люминесценции . Эти спектры различны для окисленного и восстановленного состояния молекулярных компонентов, а соотношение различных форм этих компонентов н их объемная концентрация в исследуемой области определяются общей функциональной активностью различных клеточных структур и органов, в том числе и клеток крови. Это отражается на общих оптических свойствах тканей, которые могут быть зарегистрированы методами лазерного спектрального анализа, лазерной доплеровской флуометрии, лазерной биоспектрофотометрии и др. Лазерные методы не требуют расходных лабораторных препаратов, ненивазивны и асептичны, являются существенно более дешевыми по сравнению с рентгеновскими и томографическими исследованиями и позволяют получать результат практически в реальном масштабе времени.

В медицине люминесценция используется для диагностики важнейших физиологических процессов, большого числа заболеваний для контроля над поступлением, превращением и выводом нз организма лекарств и т. д.

Одним из первых эффективных применений лазеров в биомедицине была пролетная цитометрия; лазер был применен для ускорения анализов и сепарации и отдельных клеток млекопитающих за счет точных измерений их оптических свойств – характеристик вызванной лазером флуоресценции. В пролетной цитометрии используются аргоновые лазеры и Не-Сd лазер.

В конце 80-х гт. ХХ в. в Университете Твенте (Голландия) был применен многопараметрический подкоп к лазерной пролетной цитотометрии, основанный на светорассеянии, иногда в сочетании с микрофлуоресцеицией . При таком подходе одновременно измеряется ряа сигналов от отдельной клетки, например интенсивность рассеяния впереди под углом 90° (ортогональное рассеяние), полная интенсивность ортогонального рассеяния, поляризованного параллельно поляризации падающего на образец лазерного излучения и параллельно току клеток (), и его компонента, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации падающего излучения н направлению пролета клеток (пеполя-рнзоваиного компонента ), и другие комбинации сигналов.

Такой подход позволяет довольно эффективно дифференцирoвать клетки крови по их морфологии. Информация о типе клеток определяется соотношением интенсивности ортогонального рассеяния и его деполяризованного компонента. Наибольшее значение коэффициента деполяризации /(+) имеют зозинофилы (0,044). Это объясняется большим количеством малых внутриклеточных частиц (гранул), которые дают многократное рассеяние, вследствие чего происходит деполяризация света.

Двухпараметрические карты интенсивности ортогонального рассеяния и рассеяния вперед показывают с хорошим разрешением области рассеяния гранулоцитами (нейтрофилы), моноцитами, лимфоцитами и эритроцитами с остатками клеток (рис. 2).

В Университете Твенте был построен пролетный цитометр на базе Не-Ne лазера мощностью 5 мВт, одновременно регистрирующий четыре компонента рассеяния для дифференциального счета четырех типов белых клеток крови. Он даст достаточно хорошую корреляцию с обычными измерениями: 0,99 - для лимфоцитов; 0,76 - для моноцитов; 0,99- для нейтрофилов и 0,98 - для эозинофилов. и может использоваться экспресс-диагностики различных видов лейкемии.

                    

Рисунок 2 – Двухпараметрические карты интенсивности рассеяния белых клеток крови

Другое, не менее эффективное применение лазеров - лазерная анемометрия, т. е. измерение малых скоростей движения аналогических жидкостей на основе доплеровского сдвига частоты излучения лазера.