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

К неразрушающим методам микроспектрального анализа биообъектов микрофлуориметрня отдельных живых клеток или органелл. Пространственное разрешение метода - 0,3 мкм, временное - 0.2 нс. Он может быть полезен для флоуоресцентного картирования генов, пространственного распределения флуорофоров в клетках и мембранах, для количественного аминокислотного анализа, определения концентрации свободных ионов внутри живых клеток, идентификации и изучения свойств пигментов и красителей внутри живой клетки. Например, при изучении фотоповедения одноклеточных водорослей была выявлена органелла, исполняющая роль фоторецептора, и молекула фотопигмента.

 

4 Лазерная хирургия

 

Особенности лазерного излучения заставляют пересмотреть классические представления о взаимодействии электромагнитного излучения с биотканями. Как уже упоминалось выше, впервые появилась возможность концентрации энергии в чрезвычайно узком спектральном (как пространственном, так и временном) диапазоне. Кроме того, никакой ранее известный источник не давал столь высококогерентного излучения, как во времени, так и в пространстве. Наконец, особенности работы лазера позволяют создавать импульсы излучения с весьма малыми длительностями (до ) .

Принято классифицировать воздействие высокоинтенсивного лазерного излучения на биоткань по трем параметрам: длине волны, плотности энергии или мощности и длительности воздействия. В качестве обобщенной меры воздействия используется доза облучения, определяемая как суммарная энергия излучения, поглощенная бнотканью. Лечебное воздействие лазерного излучения принято подразделять на терапевтическое и хирургическое.  Терапевтическим считается действие лазерного излучения, не производящее видимых необратимые изменений в тканях, а хирургичсским - производящее таковые. В качестве основной характеристики воздействия рассматривается поверхностная плотность мощности падающего излучения, измеряемая в ваттах на квадратный сантиметр. Резкой границы между терапевтическим и хирургическим воздействиями обычно не проводят, обозначая ее в пределах 0,1...10 Вт/см2. Нижняя граница терапевтического воздействия устанавливается около Вт/см2, верхняя граница хирургического воздействия - около 1 от... Вт/см2. Ограничения по верхней границе связаны с тем, что основной механизм хирургического воздействия - тепловой. При плотностях мощности выше Вт/см2 сильно проявляется фотоионизационное действие излучения, уменьшающее долю энергии, переходящее в теплоту, и приводящее к плазменному экранированию зоны облучения. Ограничения терапевтического воздействия по нижней границе в основном обусловлены возможностями отслеживания хода процессов в организме, а также сравнением с интенсивностью солнечного облучения, которое является природным «эталоном»  для калибровки шкалы интенсивностей.

 Размытость границы между терапевтическим и хирургическим воздействиями связана со многими причинами, и в первую очередь с многозначностью характеристик биоткани. Различные ткани и даже одинаковые, нов разном состоянии, при одной и той же плотности мощности облучения по-разному реагируют на воздействие. В одних случаях они могут скомпенсировать его, и тогда воздействие следует рассматривать как терапевтическое, в других -испытать необратимые изменения, и, следовательно, воздействие должно рассматриваться как хирургическое. Поэтому пограничная зона интенсивностей между терапией и хирургией размывается на два порядка.

Установление энергетических границ лечебного воздействия, безусловно, зависит от длины волны лазерного излучения, поскольку глубина проникновения в биоткань лазерного излучения зависит от длины волны этого излучения. Очевидно, что если предметом облучения является объект, достаточно глубоко расположенный внутри организма, то степень воздействия на него может радикально меняется с изменением длины волны. Это еще более подчеркивает условность границ лечебного воздействия.

В ближней ИК-области преобладает фототермический механизм воздействия. При переходе в УФ-область все более заметную роль играет фотохимический механизм. Граница между преобладанием фототермического н фотохимического действий и ель граница между «мягким» (УФ-А) и «жесткими» (УФ-В) УФ-диапазонами.

В области УФ-А взаимодействие лазерного излучения с биотканями характеризуется высоким поглощением его гемоглобином крови. Поэтому глубина проникновения излучения в кровенаполненные ткани весьма мала, что в случае хирургического применения дает возможность производить прецизионные разрезы с минимальным повреждением окружающих тканей. Область УФА характеризуется еще и тем, что излучение этого диапазона в отличие от УФ-В и тем более УФ-С относительно слабо поглощается прозрачными средами н может передаваться через кварцевые световоды с приемлемыми потерями. Поэтому, лазеры, излучающие в УФ-А (например, эксимерный лазер на ХеСl (* = 308 нм)), имеют богатые перспективы применения.

Лазеры видимого диапазона обладают серьезным преимуществом над прочими благодаря возможности непосредственного визу-ального контроля процесса облучения. Вместе с тем, поскольку в пределах видимого диапазона прозрачность кровенаполненных тканей сильно меняется, такие лазеры применяют как в хирургии (сине-зеленая область, 480...580 нм), так и в терапии (красная область, 600...700 нм) .

Ближний ИК-диапазон характеризуется наибольшей «прозрачностью» тканей (800...900 нм). Глубина проникновения излучения в мягкие ткани в этой области спектра измеряется сантиметрами, а световоды, как кварцевые, так н стеклянные, облазают минимальными потерями, так что во внутренние полости организма можно передавать значительные мощности излучения (до 250 Вт). Если необходимо использовать лазеры для терапии или остановки кровотечений, этот диапазон, безусловно, наиболее благоприятен. Вместе с тем он наименее удобен для хирургии (рассечения тканей), поскольку воздействию подвергается большой объем ткани и, соответственно, для его разогрева н разрушения требуется гораздо большая энергия, чем в остальных спектральных областях.

Дальний ИК-диапазон интересен прежде всего тем, что в этой области излучает С02-лазер (А = (0600 181) В силу ряда преимуществ С02-лазера н сильного поглощения излучения этого диапазона внутритканевой водой, установки на базе С02-лазеров являются наилучшими «лазерными скальпелями», пригодными для широкого круга хирургических вмешательств.

Процесс деструкции биотканей под действием лазерного излучения можно разделить на следующие стадии:

1) денатурация белков (остановка процессов клеточного метаболизма);

2) разрушение внутренней структуры биотканей, включая разрушение мембран, истечение внутриклеточных и внутритканевых жидкостей, коагуляция биожидкостей;

3) выкипание жидкой фазы;

4) карбонизация и возгонка сухих остатков.

Из перечисленных процессов наибольшая доля энергии поглощенного биотканью лазерного излучения (90...95 °/о) приходится на выкипание жидкой фазы. Это означает, что при рассмотрении модели лазерной деструкции мягких биотканей можно радикально упростить физическую картину, рассматривая в основном испарение воды при постоянной температуре.

Основа хирургического воздействия - рассечение тканей. Главный вопрос лазерной хирургии - определение условий образования кратера, т. е. выброса продуктов разрушения биоткани из зоны облучения. Поскольку, как мы установили, главным механизмом взаимодействия в данном случае является тепловой, образование кратера возможно только при условии нарушения динамического равновесия между притоком и оттоком теплоты. Будем считать, что приток теплоты полностью обусловлен преобразованием в теплоту энергии лазерного излучения, а отток - действием механизма теплопроводности тканей. Для оценок лучше оперировать не теплопроводностью, а температуропроводностью тканей, поскольку через нее удобно выражался характерное время теплопотерь . Температуропроводность биотканей и воды можно считать одинаковой, поскольку мягкие ткани на 80 % состоят из воды.

Для установления равновесия между притоком и оттоком теплоты необходимо, чтобы время воздействия t было велико по сравнению с временем теплопотерь , что эквивалентно работе лазера в непрерывном режиме, хотя непрерывный режим при большой экстинкции ткани может быть и импульсным, если только длительность импульса велика по сравнению с г. Если г т, режим назывался термодиффузионным. Пороговая плотность мощности падающего излучения в термолиффузиоином режиме, позволяющая разрушать облучаемую биоткань, может быть найдена из условия нарушения теплового баланса:

                                    

где - плотность облучаемой ткани; V - объем области взаимодействия; - время теплопотерь; - удельная темовая энергия разрушения, кДж/г.

Смысл этого условия прост: за время т в облучаемый объем «окачивается» больше энергии, чем «откачивается за счет теплопроводности. Обычно удельная темовая энергия находится в ии-тервалс от l до 10 кДж/г.

 Рассмотрим противоположный случай: . Он соответствует работе лазера в режиме коротких импульсов. зона поражения при облучении в таком режиме в экспериментах на животных оказа-лась гораздо больше зоны облучения, что заставило предположить наличие следующих процессов при импульсном воздействии:

1) внутреннее парообразование, быстрое вскипание тканевой воды;

2) локальное резкое объемное расширение, возникновение скачка давления и, возможно, образование ударных волн.

Таким образом, при импульсном воздействии энергия из зоны облучения уносится, в основном, не тепловым, а механическими (звуковые и ударные волны) факторами. Это значит, что область взаимодействия должна испытать достаточно сильный перегрев относительно температуры кипения. Экспериментально измеренное значение температуры биоткани при импульсном воздействии составило 600 К. прежде всего следует подчеркнуть принципиальное отличие режима разрушения биоткани при от термодиффузионного (). В этом случае вся тсмовая энергия, получившаяся в результате преобразования энергии лазерного излучения, выделяется в зоне облучения, не успев распространиться в окружающие ткани. Такой режим получил название фотоабляционного. Данное определение имеет в виду только фототермический механизм разрушения биотканей. Возможным фотохимическим действием (распад гигантских молекул на фрагменты под действием лазерного излучения без передачи энергии биоструктуре в целом) пренебрегают. Справедливость этого допущения проверялась как экспериментально, так и теоретически.

Отметим, что при использовании импульсного режима облучения возможно образование крупных частиц, представляющих особую опасность в виду возможной закупорки при внутрисосудистых вмешательствах. Очевидно, что эта опасность тем выше, чем больше характерная глубина проникновения излучения в ткань. Отсюда следует, что в импульсном режиме диапазон наибольшей прозрачности биотканей (600...1400 нм) наименее предпочтителен.

Еще одной принципиально важной характеристикой фотоабляционного режима является частота повторения импульсов . Если она будет велика по сравнению с обратным временем тспло-потерь, то даже при малой длительности импульса возможно «наложение» теплового действия импульса на предыдущий и, следовательно, «включение» механизма теплопроводности, не работающего для отдельного импульса. поэтому при разработке лазерных хирургических установок необходимо соблюдать условие, накладываемое на частоту повторения импульсов: .

Упрощенная классификация медицинских применений лазеров приведена на рис. 1.

Рисунок 3 – Классификация применения лазеров в медицине, основанная на видах взаимодействия лазерного излучения с биотканями

Израильские ученые из Университета им. Бен Гуриона задались целью выяснить, можно ли концентрированным солнечным излучением заменить лазерное. Для этого они построили зеркальный коллектор, «уплотняющий» энергию света в 11-15 тыс. раз и передающий такой «концентрированный» свет по оптоволокну на заостренный кончик, используемый в качестве скальпеля. Операциям успешно подверглись куриные тушки. таким образом, широкополосное солнечное излучение при сосредоточении на малой площади может рассекать ткани. Однако при этом невозможно указать компоненты тканей, ответственные за поглощение этого излучения. Вдобавок «солнечная хирургия» может найти применение только в южных широтах в безоблачный день. Такую «солнечную хирургию» можно отнести скорее к разряду курьезов.

 

 

5 Методы защиты  от лазерного излучения

 

К организационным защитным мероприятиям относятся:

·  Организация рабочих мест с определением всех необходимых защитных мероприятий и учетом специфики конкретных обстоятельств использования лазерных установок;

·  Обучение персонала и контроль знаний правил техники безопасности;

·  Организация медицинского контроля и т.д.

Технические мероприятия и средства защиты подразделяются на коллективные и индивидуальные. Коллективные включают в себя:

·  Средства нормализации внешней среды;

·  Автоматические системы управления технологическим процессом;

·  Использование предохранительных устройств, приборов, различных ограждений лазерно – опасной зоны;

·  Использование телеметрических и телевизионных систем наблюдения;

·  Применение заземления, зануления, блокировки и т.д.

 

Заключение

 

В последнее время УФ излучение эксимерных лазеров начинает использоваться при лечении различных кератозов, а также для коррекции дефектов зрения за счет послойной абляции тканей роговицы. 
Значительные перспективы в биологии имеет лазерная микрохирургия живых клеток. Локальность воздействия может быть доведена до 0,01 мкм. Широкие пределы изменения длины волны лазерного излучения и длительности импульса позволяют реализовать любой из видов фоторазрушения от теплового до многофотонного фотохимического. Все это дает новые возможности в микрохирургии хромосом, митатических органелл и цитоплазмы, имеет выход в генетическую инженерию.