Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Различие в основном просматривается в интенсивности свечения. Наиболее интенсивно светятся клетки мышц, на 25...30 % слабее — нейроны и примерно вдвое слабее — гепатоциты. Измерение относительных величин свечения различных клеток в области 300...350 нм позволяет получать диагностическую информацию о состоянии соответствующих тканей. Поскольку флуоресценция в некоторых случаях очень слаба, для получения информации используют сторонние флуорофоры в качестве меток, или зондов.
Флуоресцентные зонды, например, позволяют определить поверхностный заряд или трансмембранный потенциал клеточных мембран, изменение конформации белков и т. д. С их помощью можно проводить диагностику многих заболеваний, например аллергии, токсикоза, атеросклероза, раковых опухолей и т. д. 3.7. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОТКАНЕЙ Максимум излучения телом человека приходится на длину волны 9,5 мкм. Основной тканью, участвующей во взаимодействии с ЗМИ оптического диапазона, является кожа. Кожа состоит из эпидермиса и дермы.
В состав эпидермиса входят роговой слой (570 мкм), блестящий слой [40 мкм), зернистый слой [20 мкм), слой щиповидных клеток [90 мкм), базальный слой (20 мкм). Дерма составляет около 1000 мкм. В роговом слое основными поглощающими хромофорами являются тирозильные остатки кератина и других белков. Коротковолновая граница пропускания рогового слоя равна 280...290 нм, в нем оптическая плотность слоя больше 20.
Вся кожа практически не пропускает свет с ) < 300 нм, а свет с ) = 290...300 нм доходит, видимо, только до щиповидных клеток. На рнс. 3.8 [341 изображено спектральное пропускание излучения кожей человека. Видно, что крайнее красное и ближнее ИК-излучения пропускаются эпилермисом и всей толщей кожи значительно лучше, чем видимое излучение, Излучение с )с > > 1,5...2,0 мкм полностью поглощается содержащейся в тканях водой, значит, кожа для этого излучения непрозрачна.
т',% 1ОО [- Биоткани являются рассеивающими средами. Максимум пропускания биотканей находится в области 1,1 мкм. Наиболее «прозрачен» живой организм на длинах волн 650...1200 нм, поскольку здесь пересекаются области наименьшего поглощения излучения водой и гемоглобином крови. Иногда еще более сужают область прозрачности мягких тканей, выделяя «окио» 800...1100 нм, При 7. = 450...620 нм глубина проникновения излучения в биоткань составляет 0,25...2,5 мм, обратное рассеяние составляет существенную часть отраженного света и соответствует приблизительно 40 %.
Глубина проникновения зависит также от поглощения света определенных длин волн теми или иными структурами. Кровь практически прозрачна для ИК-излучения фотографического диапазона, так как окисленный и восстановленный гемоглобин в ближней ИК-области (до 1 мкм) поглощает и рассеивает излучение слабо.
Рассмотрим ИК-излучение поверхности тела человека: Спектральный диапазон, мкм.......,............ < 5 5-9 9 — 16 >16 Доля в общей излучаемой энергии, %......... 1 20 39 41 108 50 О 0,2 0,4 1,О 2,0 Х, мкм Рис. 3.8. Спектральное пролускание излучения кожей человека: 1 — эпидермисом; 2 — всей толщей кожи На рис. 3.9 [311 представлены спектры отражения кожи человека. В клетках кожи предусмотрена меланиновая система фото- защиты, с помощью которой внутри клеток при освещении проис- холит перераспределение сильно поглощающих меланопротеиновых гранул и увеличение количества меланина.
В результате !09 кожа оказывается превосходным светофильтром, не пропускающим в подкожные клетки свет, который может поглощаться их ядрами и ДНК, т. е. является защитой организма от избытка УФ-лучей. пс, зь 60 50 40 Зо 400 480 560 Х, им ° Рис. 3.9. Спектры отражения кожи человека: 1 — участок кожи ао развития УФ-зритемы; 2— участок кожи после развития УФ-зритемы мягкую ткань до 70 мм, в костную ткань — до 25 мм. Кожа человека на длине волны 1,06 мкм отражает 36 с4 энергии излучения. 2 Низкие уровни плотности энергии излучения от 0,01 до 0,1 Дж/см не влияют на оптические свойства биотканей. На распространение лазерного излучения в биоткани влияют рассеяние и дифракция. Кроме того, биологические ткани являются неоднородными, обладают способностью к селективному резонансному поглощению и флуоресценции, а также обнаруживают ряд нелинейных явлений (аномальную дисперсию и вынужденное комбинационное рассеяние).
Кровь и лимфа в тканях не гомогенны, особенно в области воспалений, и имеют определенную скорость движения, что также сказывается на распределении поля излучения лазера внутри ткани. 3.8. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА Физиологическое действие лучистой энергии оптической части спектра зависит от длины волны и энергии поглощенных квантов. Поглощенная энергия вызывает переход атомов и молекул в возбужденное состояние, в котором их способность вступать в химическую реакцию возрастает во много раз. В коже происходит образование веществ с новыми физико-химическими свойствами, изменения белковых молекул клеток, усиление ферментативной деятельности. Энергия ИК-излучения и видимого света при поглощении тканями переходит в тепловую, усиливая кровообращение и тканевый обмен, повышая фагоцитозную активность лейкоцитов.
Рассмотрим оптические свойства биотканей на длинах волн лазерного излучения УФ- и ИК-диапазонов. Стенка кровеносных сосудов обладает значительным поглощением на длинах волн лазеров 193, 248, 308 нм, 2,94 и 10,6 мкм. Из-за интенсивного поглощения на этих длинах волн глубина проникновения составляет 1...20 мкм. Основным поглощающим компонентом на длине волны 890 нм является кровь. Излучение низкоинтенсивных лазеров с длиной волны 660 нм проникает только до эпидермиса, с длиной волны 820 нм — до нижней части дермы, а излучение с длиной волны 950 нм достигает подкожной клетчатки.
Излучение низко- интенсивных лазеров с длиной волны 630 нм проникает на глубину 1,5 мм, излучение ближней ИК-области 0,8...1 мкм проникает в 11О По характеру биологического действия на организм человека и животных принято разбивать спектральный диапазон на несколько областей, каждая из которых ответственна за индуцирование определенных эффектов (см. ВЗ): ° ИК-диапазон (), > 760 нм) разбивается на ближний ИК (760... 1400 нм), средний ИК (1 400...
3 000 нм) и дальний ИК (более 3 000 нм). Он вызывает тепловые эффекты в поверхностных тканях; ° видимая область (400...760 нм) обеспечивает зрение (почему и называется видимой), фотопериодизм (физиологические реакции растений, животных, человека на изменение освещенности в течение суток, года н т. п,); ° УФ-область включает в себя антирахитную область — УФ-А (315...400 нм) — вызывает загар, синтез витамина !3, фотоаллергические и сенсибилизирующие фототоксические эффекты, повышение иммунитета к соматическим и инфекционным заболеваниям; эритемную область — УФ-В (280...315 нм) — вызывает эритему, эдему, загар, ожог глаз, канцерогенез, синтез витамина О, ослабление иммунитета; бактерицидную область — УФ-С (200...280 нм) — вызывает эритему, загар, канцерогенез, мутации, бактерицидный эффект [13, 31).
Земли достигает область УФ-А и часть области УФ-В. Заметим, что атмосфера достаточно сильно поглощает УФ-излучение с длинами волн короче 300 нм (в основном, за счет озона, сосредо- точенного на высотах 25...28 км (см, далее 3.11)). Излучение Солнца с !. < 280 нм практически не достигает по этой причине земной поверхности, поэтому и называется вакуумным ультрафиолетовым излучением.
Мягкий же ультрафиолет задерживается атмосферой незначительно, но и превращений вызывает мало (поэтому он — «мягкий»). 3.9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИООБЪЕКТАМИ Действие УФ-излучения на молекулярном уровне. Развитие всего живого происходило под влиянием солнечного излучения, к которому оно должно было приспособиться.
Поэтому устойчивость живых клеток к свету оказалась гораздо выше, чем, например, устойчивость к ионизируюшему облучению. Отчетливые биологические эффекты при действии УФ-света на живые клетки наблюдаются при дозах порядка 1О З... 10 ~ эрг/ядро, а летальная доза ионизирующего излучения для многих видов клеток составляет 1О эрг/ядро. Это, вероятно, целиком связано с наличием хорошо отлаженной системы репарации фотодефектов, включая системы фоторепарации. Способность восстанавливаться от повреждений, вызываемых УФ-излучением, возникла, скорее всего, на ранних этапах эволюции и играла важную роль в выживании первичных организмов, подвергавшихся интенсивному солнечному ультрафиолетовому облучению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
