Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 15
Текст из файла (страница 15)
2.5). л сан с Зона Х' очага 1,О 0,5 о 50 100 150 х,мм Рис. 2.5. Распределение поглощенной энергии в тканях организма прн действии разных видов излучения; а — РИ с энергией 0,2 МэВ; б- тормозное излучение с энергией 25 МзВ; в — поток протонов с энергией 160 МэВ (пс ссн абсцисс — поглощенная доза, отнесенная к экспсзнцнснной дозе) Как средство лучевой терапии применяют и ускорители заряженных частиц. При этом используют: 1) тормозное РИ, возникающее при торможении электронов, ускоренных бетатроном, Энергия фотона тормозного излучения— порядка нескольких десятков мегаэлектрон-вольт, что оказывается более эффективным, чем у-терапия; 2) прямое действие ускоренных частиц: электронов, протонов.
Заряженные частицы создают наибольшую ионизацию перед остановкой. Поэтому при попадании пучка заряженных частиц в биологический объект извне наибольшее воздействие будет оказано не на поверхностные слои, а на глубже лежащие опухолевые ткани. Поверхностные слои при этом повреждаются минимально, В этом слу- 80 чае может быть использован как ускоритель электронов (бетатрон, синхротрон), так и ускоритель тяжелых частиц (синхрофазотрон). Следует, однако, отметить, что использование в терапевтических целях ускорителей заряженных частиц, при всех их несомненных достоинствах, является крайне дорогостоящим методом лечения и уже поэтому не может быть рекомендовано к широкому применению.
Применение позитрониой эмиссионной томографии (ПЭТ). ПЭТ основана на явлении распада позитрона на два у-кванта с энергией 511 кэВ каждый, разлетающихся примерно под углом 180' друг к другу. Наиболее эффективный метод прижизненной визуализации распределения радиофармпрепаратов, излучающих позитроны, — это расположение вокруг пациента большого числа раздельных сцинтнлляторных приемников, причем каждый приемник подключается к электронной схеме регистрации двойных совпадений с расположенным напротив (с другой стороны пациента) приемником. При этом можно определить линию, на которой происходит аннигиляция.
Наибольшее применение ПЭТ находит при неврологических исследованиях и изучении процессов метаболизма головного мозга, поэтому большинство систем рассчитано для томографии черепа и имеют небольшой диаметр кольца рабочей зоны. Пространственное разрешение в реконструированном изображении составляет б мм при толщине сечения 6,3 мм. Применение рентгеновских и Т-лазеров. Рентгеновские и у-лазеры позволяют получить высокую яркость источников, монохроматичность, коллимированность, когерентность и время экспозиции от 0,1 до нескольких миллисекунд (28]. Это дает улучшение чувствительности и разрешения в компьютерной томографии и рентгеновской флюороскопии.
Дифференциальное поглощение может использоваться для улучшения контраста при количественном изучении распределения тяжелых элементов в различных живых органах. Рентгеновская дифракция при больших интенсивностях может оказаться полезной для изучения физиологии и контроля мышечных сокращений. Особую роль рентгеновские лазеры играют в рентгеновской микроскопии, Они могут помочь в ответах на следующие вопросы: а) каково расположение растворенных ферментов в цитоплазме, т, е, являются ли они свободно плавающими или связаны с цитоскелетом? б) присутствуют ли белковые агрегированные структуры в живых клетках? 81 13.1) 83 в) каким образом цитоскелетон организует структуру липидных мембран? Временное разрешение на уровне долей миллисекунды позволяет визуализировать морфологию клетки и реорганизацию цитоскелетона во время деления.
Благодаря когерентности излучения рентгеновских лазеров с их помощью можно получать трехмерные голографические изображения с пространственным разрешением 50 нм, например, структуры цитоскелетона. Излучение рентгеновского лазера можно сфокусировать до 50...100 нм гразмеры вирусов, молекул ДНК, РНК составляют примерно 10 нм). Таким образом, рентгеновские лазеры позволяют изучать клетку с высоким пространственным разрешением и в живом виде.
Эта уникальная возможность присуща большинству методов лазерной диагностики, хотя для массового применения рентгеновские и у-лазеры трудно рекомендовать по причине их высокой стоимости. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО, ВИДИМОГО И ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИООБЪЕКТАМИ. ПОНЯТИЕ О ФОТОБИОЛОГИИ И ФОТОМЕДИЦИНЕ В третьей главе рассмотрен оптический диапазон, понимаемый в расширенном смысле (включая ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области). Особое внимание уделяется физике взаимодействия, биологическом> ответу живых организмов на оптическое воздействие, дается понятие о фотобиологии и фотомедииине. Излагаются механизмы преобразования энергии оптического излучения биообьектами различного системного уровня.
3.1. ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ СВЕТА ВЕЩЕСТВОМ При прохождении света через вещество изменяются его интенсивность, поляризация, фаза и другие характеристики вследствие его поглощения и рассеяния частицами вещества. Поглощением называется ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество за счет превращения световой энергии в другие ее виды. Поглощение монохроматического параллельного пучка света однородно поглощающими средами описывается законом Бугера — Ламберта — Бера (рис.
3.1). рис. 3д. Прохождение Выделим из слоя среды 1 с концентра- излучения через слой цией поглощающих частиц с бесконечно поглошающей среды тонкий подслой сз1. Если на Ж падает свет интенсивностью 1, то после прохождения расстояния й она уменьшается, т. е. Н < 0 и — — = /с'сй. Ы 1 Поскольку А' = сопяй то после интегрирования имеем !п — = Й'с1. /о /вых Заменяя натуральные логарифмы десятичными фм2,3/г'), полу- чаем 18 = йс/.
/о /вых (3.2) В химическом анализе отношение /„,х//ообычно называют коэффициентом пропускания т (О < т' < 1), величину /7 /о = !я — =-1ят — оптической плотностью, а коэффициент /с /вых коэффициентом поглощения. Если с выражают в молях на литр, а толщину слоя в сантиметрах, то коэффициент поглощения называют молярным коэффициентом поглощения и обозначают ех. Наиболее распространенная форма закона Бугера — Ламберта— Бера имеет вид 1 1 .!О-хлв/ = о (3.3) 84 где 1 — интенсивность выходящего света; /о — интенсивность падающего света (или число квантов в единицу времени); ех — мо-! лярный коэффициент поглощения, л моль см; с — концентрация вещества, моль/литр; 1 — длина слоя, см.
Молярный коэффициент поглощения ах выражает вероятность того, что данная молекула поглотит квант света при ее взаимодействии с фотоном. Формула (3.3) фактически позволяет рассчитать поглощенную веществом энергию света. Этот закон был открыт в 1729 г. французским физиком и мореплавателем П. Бугером (Р. Воиянег), изучавшим прохождение света через атмосферу и цветные стекла. Спустя 30 лет, уже после смерти П. Бугера, И.Г. Ламберт придал закону современную форму, подтвердив приоритет Бугера.
Еще позднее А. Бер применил закон к светопоглощению растворов, связав его с концентрацией поглошающего вещества. С.И. Вавилов экспериментально доказал, что закон (3,3) справедлив в широких пределах изменения интенсивности (примерно 20 в 10 раз). Нарушение закона возможно лишь при напряженностях поля в электромагнитной волне, сравнимых с внутриатомными и внутримолекулярными значениями. Такие поля реализуются, например, в лазерном излучении.
В биообьектах поглощающее вещество распределено неравномерно. Результаты измерения говорят о соблюдении закона поглощения в тканях, однако прямая проверка закона как зависимости от концентрации поглощающего вещества в тканях не может быть выполнена, так как концентрация остается неизвестной экспериментатору. Если поглощающих сред несколько, то 1, !О-(хлй~хшдг+-эаи<г" -!/ = о' Иногда закон (3.3) записывают в виде , е-х'л с/ где ех и е~ связаны соотношением ах -— 0,43е~, так как е =10 ' . Вводят также натуральный показатель поглощения вещества ал = в~с.
Тогда характерная глубина проникновения излучения 1„=1/ал. Зависимость оптической плотности и молярного коэффициента поглощения от длины волны, на которой измеряются Й(2) и а1()х)„называется спектром поглощения. Связав поглощение света с характеристиками молекул (рис.
3.2), запишем закон Бугера — Ламберта — Бера как — О(л1 -лз !/ где Π— сечение поглощения молекулы (эффективная площадь, при попадании фотона в которую происходит его захват молекулой), Π— 10 ...10 см; ал =О(п! — п2). Концентра- 16 19 2 ция п2 молекул, находящихся в возбужденном состоянии 2, намного меньше концентрации п! / л~ Молекул В ОСНОВНОМ СОСТОЯНИИ 1.
ПоэТому КОН Рис 3 центрация молекул в основном состоянии при- уровней вмолеблизительно равна концентрации молекул, куле 85 глошающих кванты света. Следовательно, интенсивность света, прошедшего слой толщиной 1, может быть выражена формулой С учетом отражения и рассеяния поглощенная энергия определяется выражением А(=()-р*)(1О-1яых)=(1-Р*)1о(1-е" ' "), где р — коэффициент отражения; т — натуральный показатель рассеяния, т. е, величина рассеяния на единицу длины (см. ниже). Интенсивность люминесценции, вызванной поглощением проходящего через среду света, можно рассчитать как 1, =7),10(1-10-'х" ).
число излученных квантов Здесь т)я— — квантовый выход лючисло поглощенных квантов минесценции; 10 — интенсивность возбуждающего света. Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света и проявляющееся как несобственное свечение вещества.
Оно обусловлено суперпозицией излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в атомах рассеивающей среды под действием падающего света. Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде. Уменьшение интенсивности при рассеянии описывается по законам, аналогичным закону Бугера, 1(1) = 1ое где т — натуральный показатель рассеяния. При совместном дей- ствии поглощения и рассеяния 1(1) =1ое ~ Здесь)с = пг'+ а„— коэффициент экстинкции (ослабления), который очевидным образом можно связать с оптической плотностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
