Біофізичний механізм дії лазерного випромінювання на тканину

Як зазначалось вище, лазерне випромінювання, як і звичайне світло, може відбиватися, поглинатися, розсіюватися, перевипромінюватися біологічними середовищами. Закономірності, які впливають на проникнення випромінювання в тканину, мають безпосереднє відношення до механізму біологічної дії лазерної радіації. Одна з причин обмеженої глибини проникнення полягає в поглинанні (абсорбції) лазерного випромінювання біологічними тканинами, а саме абсорбція, за незначним винятком, є обов'язковим початковим моментом, який передує наступним змінам, що відбуваються в опроміненому організмі.

Глибина проникнення лазерного випромінювання в тканини є дуже важливою в практичному відношенні, оскільки, в залежності від неї, визначаються межі можливого використання лазерів. Ущільнення тканин тиском, наприклад, дозволяє збільшити інтенсивність глибинного опромінення в десятки разів.

Поглинання - не єдиний процес, що приводить до ослаблення лазерного випромінювання при проходженні його через біологічні тканини. Одночасно з поглинанням випромінювання відбувається відбивання світла від поверхні між двома середовищами, заломлення при проходженні границь, які розділяють два оптично-різнорідні середовища, розсіювання світла частинками тканини та ін. Таким чином, можна говорити про загальне ослаблення випромінювання, яке включає, окрім поглинання, втрати за рахунок інших явищ, і про саме поглинання випромінювання.

При теоретичному розгляді питання поглинання лазерного випромінювання тканинами, можна для спрощення прийняти, що випромінювання є плоскою хвилею, яка падає на рівну поверхню об'єкта, коефіцієнт поглинання на всій опроміненій ділянці одинаковий і не залежить від інтенсивності світла. В цьому випадку енергія випромінювання (потужність) з глибиною буде зменшуватися експоненціально.

В реальних умовах при опроміненні біологічних об'єктів таке просте співвідношення між товщиною шару тканини та кількістю поглинутої енергії порушується, наприклад, за рахунок відмінності коефіцієнтів поглинання різних ділянок опроміненої тканини.

Враховуючи, що світлопоглинання – це молекулярний процес, який в кінцевому результаті залежить від концентрації поглинаючих випромінювання молекул, величина поглинання на клітинному і субклітинному рівні може суттєво змінюватись навіть від органели до органели. Нарешті, поглинання є функцією довжини хвилі, і тому коефіцієнт поглинання широко змінюється для лазерів, які випромінюють у різних областях спектра [4].

Внаслідок неоднорідності структури тканини велике значення з точки зору терапії має прецизійне локальне підведення світлової енергії до даної тканини.

Процес поширення лазерного випромінювання залежить від структури тканини, наявності води, кількості металопротеїдів (зокрема гемоглобіну), пігментів, ферментів [2]. Так, в ряді дослідів було встановлено, що сильно пігментована тканина печінки поглинає випромінювання інтенсивніше, ніж м'язова тканина [4].

Процес поширення лазерного випромінювання залежить від структури тканини, наявності води, кількості гемоглобіну, меланіну і т. д.

При зіткненні випромінювання з тканиною відбуваються одночасно всі вищезгадані процеси (відбивання, розсіювання, абсорбція). Річ у тому, що при біостимуляційній дії треба вибрати випромінювання, для якого домінують процеси ефективної трансмісії і абсорбції. Відбивання і розсіювання використовують переважно для діагностики.

Абсорбція і трансмісія на окремих глибинах тканини залежить від наявності в них фотоакцепторів, таких як частинки води, меланіни і гемоглобін. На рис. 2.7 показано типовий спектр трансмісії і поглинання випромінювання для цих фотоакцепторів. На ньому виразно видно важливі для лазерної біостимуляції розміри оптичного вікна, де трансмісія випромінювання стабільна. Можна також зауважити ділянки великої або навіть 100%-ної абсорбції лазерного світла в елементарних фотоакцепторах. Видно, що вода і тканини, багаті на воду, будуть найбільше поглинати випромінювання з довжиною хвилі, меншою ніж 400нм і більшою ніж 1200нм. Особливо висока абсорбція спостерігається для довжини хвилі 2940нм, яка відповідає лазеру YAG:Er. Максимальну абсорбцію має

Рисунок 2.7 – Абсорбція випромінювання в типових фотоакцепторних тканинах

гемоглобін для 500-590 нм, тому лазерне випромінювання 632,8 нм має біостимуляційний вплив на елементи крові.

Найкраще для біостимуляційних процесів використовувати довжини хвиль, які містяться всередині згаданого вже "оптичного вікна", тобто від 550 нм до 950 нм. Світло лазера з довжиною хвилі, яка лежить поза даними межами, абсорбується в поверхневих шарах тканини і не викликає стимуляційного ефекту шарів тканини, що лежать глибше.

Трансмісія самого світла в тканині залежить від його довжини хвилі і потужності, але не залежить від того як довго буде освітлюватися дана точка. Наприклад, якщо використовувати лазерне джерело з середньою потужністю виходу 30 мВт,то з лазера емітується близько 10¹⁶фотонів на секунду. Це означає, що кожної секунди до тканини проникає 10¹⁶фотонів, і в даний момент часу в тканині не може бути більше, ніж 10¹⁶фотонів. Тому не має значення, чи пункт освітлюється протягом однієї секунди, чи однієї хвилини (ситуація нагадує освітлення ліхтариком стіни: величина кола світла і його інтенсивність будуть незмінними, не дивлячись на те, як довго ліхтарик буде ввімкненим).

Фотони лазерного джерела досягають певної глибини в тканині незалежно від часу освітлення даного пункту. На рис. 2.8 а кількість енергії, що падає на тканину, зображено стрілками. Досягнення наступних шарів тканини пов'язане зі зменшенням енергії. Половинною глибиною проникнення називається глибина шару тканини, до якого надходить 50% початкової енергії. Процес біостимуляції може бути викликаний на такій глибині тканини, на якій був заабсорбований останній фотон лазерної хвилі. Шкіра пропускає всередину біля 80% світлової енергії (рис.2.8б) при перпендикулярному падінні променів на тканину. Залежність глибини проникнення лазерної хвилі з різними енергіями схематично показано на рис. 2.8 в.

Рис.2.8 підтверджує так звану теорію "одинокого фотона". Згідно з цією теорією, достатньо одного вміщеного в тканині фотона в певний момент часу, щоб викликати біоенергетичний процес. Рис.2.8 є справедливим для м’яких тканин і базується на емпіричних даних.

Рисунок 2.8 – Ілюстрація процесів проникнення випромінювання в біотканину

На рис.2.9 представлено порівняння глибини проникнення випромінювання лазерів, які найчастіше застосовуються в медицині [2].

У дослідах по порівнянню поглинання червоного випромінювання з різними фізичними властивостями було встановлено, що просторова когерентність не впливає на поглинання, а поляризоване випромінювання поглинається менш активно ніж неполяризоване. Встановлено також, що

Рисунок 2.9 – Залежність проникнення лазерного випромінювання від довжини хвилі

розсіювання видимого світла при проходженні його через біотканину значно перевищує поглинання. Це означає, що лазерне світло має досить високу здатність проникнення в тканини. Якщо врахувати можливість транспортування випромінювання вглиб тканини при допомозі волоконної оптики і можливе наступне його розсіювання то можна сподіватися на подальше розширення сфери клінічного використання лазерів [4].

Дата добавления: 2014-01-11