ЛЕКЦИЯ 01 (Электронные лекции)

Лекция 1

взаимодействие лазерного излучения

с биотканями. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ ЛАЗЕРОВ

С появлением лазеров люди столкнулись с воздействием, не имевшим ранее прецедентов в природе. Самый мощный природный источник электромагнитного излучения — Солнце, и формирование всего живого на Земле происходило под его непосредственным воздействием. Поэтому характеристики солнечного излучения с учетом его фильтрации в атмосфере считаются базовыми с точки зрения взаимодействия с биотканью. Соответственно выделение оптического диапазона длин волн электромагнитного излучения связанно именно с воздействием его на биоткань, точнее на орган зрения.

Благоприятное воздействие солнечного излучения на здоровье человека, профилактику заболеваний, процесс выздоровления при различных заболеваниях и ранениях были известны еще на заре человечества. Недаром Солнце почиталось одним из божеств большинством народов. С приходом монотеистических религий Солнце было развенчано и лечебное действие света попало в разряд ереси. Однако по мере развитие понимания природы физики света возродило интерес к его медицинским применениям и на рубеже ХIХ и ХХ столетий начался научный период светомедицины.

В
1896г. датский ученый Нильс Рюберг Финзен (Niels Ryberg Finsen) создал в Копенгагене Институт световой терапии. В 1903 г за работы по изучению действия ультрафиолетового излучения на организм человека Финзен был удостоен Нобелевской премии по медицине. Он показал, что ультрафиолетовое излучение обладает лечебным эффектом, в частности при туберкулезе кожи и нагноении при оспе, а также предложил оригинальную конструкцию лампы, позволявшую использовать в медицинских целях электрическую дугу (лампа Финзена). В дальнейшем ультрафиолетовое излучение получило широкое распространение в медицине и для целей стерилизации.

В настоящее время к оптическому диапазону принято относить электромагнитные волны с частотами от 10¹² до 10¹⁶ Гц, или, или, в длинах волн, от 100 до 50000 нм (в длинноволновой области, по различным классификациям, возможны вариации граничных значений). В свою очередь, оптический диапазон подразделяется на видимый спектр (400 … 760 нм), ультрафиолетовый (менее 400 нм) и инфракрасный (более 760 нм). Сами УФ и ИК диапазоны, в свою очередь, дробятся на вакуумный УФ (100 … 280 нм), жесткий УФ (280 … 315 нм) и мягкий УФ; ближний ИК (760 … 1400 нм), средний ИК (1400 … 3000 нм) и дальний ИК (>3000 нм). Указанные границы диапазонов соответствуют международной классификации, принятой SPIE (International Society for Optical Engineering) и определяются в основном поглощением электромагнитного излучения тканями живых организмов.

Биоткани, за малым исключением, к которым относятся прозрачные ткани глаза, являются для света сильно рассеивающей средой с сильным поглощением. Такие среды, как известно [1,2], называют мутными.

При прохождении лазерного излучения сквозь слой биоткани толщиной l его интенсивность ослабляется в соответствии с законом Бугера-Ламберта

I=I₀exp(-μ∙l), (1.1)

где μ = μ_a + μ_s , μ_a и μ_s — соответственно коэффициенты поглощения (абсорбции) и рассеяния.

Компоненты биоткани, поглощающие лазерное излучение называются эндохромофорами. Количество типов эндохромофоров достаточно велико, но наиболее важную роль играют вода, компоненты крови, меланин, билирубин и реже протеин, который более существенен при лазерном воздействии на ткани глаза. Хромофоры определяют глубину проникновения света в биот
кани и, что особенно важно, объем, в котором выделяется энергия.

Рассеяние лазерного излучения происходит на клетках биоткани и их структурных (морфологические) особенностях, которые с точки зрения оптики являются неоднородностями показателей преломления и поглощения. Рассеяние также вносит вклад в глубину проникновения излучения.

Характер проникновения лазерного излучения в биоткани существенно зависит от длины волны, на которой лазер работает.

Н
а рисунке 1.1 приведены качественные зависимости поглощения от длины волны излучения для воды, гемоглобина и меланина в оптическом диапазоне. Величина поглощения для каждого из хромофоров приведена в относительных единицах. Рисунок позволяет оценить качественную зависимость от длины волны излучения, но не позволяет проводить количественных оценок.

На рисунке 1.2 приведены кривые зависимости коэффициента поглощения в воде и цельной крови от длины волны излучения в длинноволновой части видимого диапазона и ближней инфракрасной области. Зависимости построены на основе экспериментальных работ L. Kou & D. Labrue [3] и А.Н. Ярославского с сотр. [4]. Измерения проводились для крови с показателями оксигенации >98% и гематокрита 45-46%. Именно эти два хромофора представляют наибольший интерес, поскольку играют основную роль в большинстве медицинских применений.

С
ледует подчеркнуть, что в крови, помимо поглощения, сильное влияние оказывает величина коэффициента рассеяния, которая для указанного диапазона превышает коэффициент поглощения и составляет около 65 мм^-1. Благодаря рассеянию излучение в биоткани распространяется не только в первоначальном направлении, но и в стороны.

На рисунке 1.2. отчетливо виден локальный максимум поглощения в воде и крови в районе 0,97 мкм. Глубина поглощения в биотканях в этой области составляет величину порядка 1 мм, благодаря чему такое излучение обеспечивает хорошее сочетание режущих и коагулирующих свойств.

Это имеет принципиальное значение с точки зрения выбора длины волны излучения для хирургических и терапевтических воздействий.

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 10^-14 с), что наряду с высокой когерентностью позволяет оказывать селективное воздействие на биопроцессы не только на уровне отдельных клеток, но на уровне их ядер, т.е. управлять на микроуровне процессами жизнедеятельности вплоть до воздействия на наследственность.

Когерентность лазерного излучение ведет к существенной особенности распространения лазерного излучения в рассеивающих средах, какими являются большинство биотканей. Именно, при распространении когерентного излучения в сильно рассеивающей среде из-за интерференции хаотически распространяющегося света образуются спекл-структуры («speckle » означает пятнышко, метку), то есть в формируется квазипериодическая картина ярких пятен, разделенных минимумами интенсивности. Подобную структуру легко наблюдать, если просветить мочку уха или кожную складку между пальцами светом лазерной указки. Спекл-структура не может быть получена с помощью обычных источников света и служит характерным признаком когерентности падающего излучения.

П
ринято классифицировать воздействие лазерного излучения на биоткань по трем параметрам: длине волны, плотности энергии (мощности) и длительности воздействия. Это позволяет изображать его графически, например, в виде диаграммы (рисунок 1.3).

В качестве обобщенной меры воздействия вводится доза облучения, определяемая как суммарная поглощенная биотканью энергия излучения.

Не умаляя достоинств предлагаемой классификации, отметим, что для наших целей (применительно к разработкам и использованию лазерных медицинских приборов и аппаратуры) она является слишком общей и трудно приложимой к конкретным медицинским предназначениям. Поэтому проведем несколько более детализированную классификацию, в известной мере за счет сужения круга рассматриваемых явлений.

Само употребление слова «воздействие» предполагает разделение лечебных и диагностических функций. Хотя в конкретных применениях медицинской аппаратуры сплошь и рядом стремятся эти функции совмещать, необходимо помнить, что с аппаратной точки зрения задачи диагностики и лечения существенно различны. Задача диагностики — возможно более достоверное извлечение информации о состоянии организма и 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. Для диагностических применений низкоинтенсивные воздействия, не вызывающие необратимых изменений в организме, имеют куда более широкую область применения, чем высокоэффективные, после которых биоткань либо перестает существовать вообще как организованная структура, либо погибает как биоткань. Однако вообще исключать возможность диагностического применения высокоинтенсивного лазерного излучения нецелесообразно, поскольку имеется ряд примеров весьма эффективной диагностики заболеваний по анализу продуктов разрушения биоткани высокоинтенсивным излучением, по самому характеру изменения биоткани в процессе облучения и т.п. Существуют также методы лазерной диагностики, при которых воздействие осуществляется не на сам организм. Примером такого метода является одородиагностика, основанная на спектральном анализе выдыхаемого воздуха.

Поэтому диагностическое применение лазеров всегда должно быть привязано к конкретной диагностической задаче и, в сущности, не поддается общей классификации. В любом случае при диагностическом воздействии следует соблюдать условие малости энергии взаимодействия по сравнению с запасенной в объекте энергией и возможно более высокой локальности. Трудность соблюдения этих условий на практике, по-видимому, является основной причиной того, что диагностические применения лазеров до сих пор составляют ничтожно малую долю от всех применений лазеров в медицине, хотя богатейшие возможности лазерной диагностики с самого начала не вызывали и сейчас не вызывают сомнений.

Лечебное воздействие лазерного излучения принято подразделять на терапевтическое и хирургическое. Сообразно этим названиям терапевтическим считается действие лазерного излучения, не производящее видимых необратимых изменений в тканях, а хирургическим — заведомо производящее таковые. В качестве основной характеристики воздействия в таком понимании рассматривается поверхностная плотность мощности падающего излучения, измеряемая в Вт/см² (см. рисунок 1.2). Резкой границы между терапевтическим и хирургическим воздействиями обычно не проводят, обозначая ее в районе 0,1 … 10 Вт/см². Нижняя граница терапевтического воздействия устанавливается в районе 10^-3 Вт/см², верхняя граница хирургического — в пределах 10⁷ – 10⁸ Вт/см². Ограничения при больших интенсивностях связаны с тем, что основным механизмом хирургического воздействия является тепловой, а при плотностях выше 10⁸ Вт/см² уже сильно проявляется фотоионизационное действие излучения, уменьшающее долю переходящей в тепло энергии и приводящей, кроме всего прочего, к плазменному экранированию зоны облучения. Ограничения при малых интенсивностях 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 с многими причинами, и в первую очередь — с многозначностью характеристик биоткани. Различные ткани и даже одинаковые в различном 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 и расползается на два порядка. Установление границ лечебного воздействия, безусловно, зависит от длины волны излучения. Очевидно, что если предметом облучения является объект, достаточно глубоко расположенный внутри организма, то степень воздействия на него может радикально меняться с изменением длины волны. Это еще более подчеркивает условность границ лечебного воздействия.

Количественные изменения, связанные в основном с зависимостью коэффициента поглощения тканей от длины волны, не исчерпывают всех возможностей. Преобладание фототермического эффекта, вызывающего наиболее заметные изменения в видимой и ИК областях, в УФ области переходит в фотохимическое воздействие (разрывы химических связей в молекулах органического вещества и превращение их в другие молекулы вплоть до распада на фрагменты). Граница между преобладанием фототермического и фотохимического действий и есть граница между «мягким» (UV-A) и «жестким» (UV-B) УФ-диапазонами. Поскольку диапазоны UV-B и UV-C пока что нельзя считать достаточно освоенными с точки зрения рекомендаций к массовому применению, не будем их подробно рассматривать с точки зрения перестройки по длине волны, хотя с расширением сферы применения эксимерных лазеров они становятся все более изученными.