Спектры поглощения и спектры фотобиологического действия

Спектр поглощения – кривая зависимости параметра s от длины волны поглощаемого света.

Спектром фотохимического действия называют зависимость параметра s х от длины волны поглощаемого света.

В общем случае спектром фотобиологического действия (спектром действия фотобиологических процессов) называется зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света.

Например, можно снять спектр действия эритемы (эритема – покраснение, обусловленное расширением кровеносных сосудов и повышением концентрации гемоглобина в коже). Для этого нужно на выбранном участке кожи выделить одинаковые сегменты (квадраты определенного размера) и облучить каждый из них УФ излучением одинаковой дозы (минимальной), но разной длины волны. Затем регистрировать степень покраснения на различных участках. В результате получится зависимость, представленная на рис., которая и представляет собой спектр действия эритемы.

Изучение спектров действия эритемы показало, что они представляют собой сумму по крайней мере двух кривых, соответствующих индукции УФ-В- и УФ-С-эритемы. Выявить этот факт удалось, регистрируя эритемную эффективность через разное время после облучения. Дело в том, что УФ-С-эритема проходит быстрее чем, чем УФ-В-эритема. Если регистрацию проводить через 8 ч после облучения, то основной вклад дает УФ-С-эритема. Через сутки вклад обоих процессов примерно одинаков. Через несколько суток регистрируемый спектр соответствует спектру действия только УФ-В-эритемы. Таким образом, анализ спектров действия эритемы подтверждает качественные отличия в действии различных диапазонов ультрафиолета.

Одна из задач при изучении фотобиологических процессов состоит в определение вещества, которое поглощает действующее излучение и тем самым участвует в первичных стадиях фотобиологического процесса. Для этого изучают спектр фотобиологического действия и сравнивают его со спектрами поглощения предполагаемых участников реакции.

При изучении действия света на белковые системы было установлено, что в растворах квантовый выход фотохимических реакций jх не зависит от длины волны действующего света. Отсюда следует, что спектр фотохимического действия sх = f(l) и спектр поглощения s = f(l) имеют одинаковый вид, так как различаются только постоянным множителем sх = s·jх. Таким образом, спектр фотохимического действия для каждого вещества по форме соответствует спектру его поглощения. Измерив (в разбавленных растворах) по дозовым кривым спектр действия, можно определить спектр поглощения участвующего в процессе вещества, не проводя никаких спектрофотометриче-ских измерений. Именно это и обусловливает интерес к регистрации спектров фотохимического действия в фотобиологии.

Путем сопоставления спектра фотобиологического действия со спектром поглощения разных биохимических соединений можно определить механизм воздействия света.

Действие УФ излучения на биологические объекты как пример фотобиологического процесса

УФ излучение – это электромагнитное излучение с длинами волн от 400 до 10 нм, находящееся между видимым фиолетовым и мягким рентгеновским излучением. Однако УФ излучение с длиной волны менее 200 нм не представляет медицинского интереса из-за сильного поглощения даже в тонком слое воздуха. Используемый диапазон УФ излучения условно делят на три области: А (400-315 нм), В (315-280 нм), С (280-200 нм).

Определение механизма воздействия УФ излучения на биосистемы. Рассмотрим на некоторых примерах, как по спектру фотобиологического действия определяют механизм воздействия УФ излучения.

При исследовании процесса гибели бактерий под действием УФ излучения определялось число бактерий до облучения и число бактерий через некоторое время после облучения. Процесс изучался при различных длинах волн в области 200-300 нм. В результате исследования была получена кривая гибели бактерий под действием УФ излучения (спектр фотобиологического действия). Оказалось, что форма этой кривой похожа на форму спектра поглощения только одного вещества в клетке – нуклеиновой кислоты. Кроме того обе кривые имели максимум в одной и той же области – 265 нм. На этом основании был сделан вывод, что гибель бактерий под действием УФ излучения связана с повреждением именно нуклеиновых кислот. На этом основано использование в медицине для обеззараживания помещений ртутных бактерицидных ламп, излучающих монохроматический свет с длиной волны 254 нм, что соответствует максимуму спектра действия бактерицидного эффекта.

Аналогичный вывод был сделан при изучении мутагенного действия ультрафиолета: спектр действия – зависимость возникновения мутаций от длины волны УФ излучения – у кукурузы оказался идентичным спектру поглощения нуклеиновых кислот.

Однако такая простая аналогия имеет место не всегда. Например, известно, что УФ излучение, действуя на кожу, в некоторых случаях вызывает эритему (покраснение). Но в этом случае спектр действия не совпадает ни с одним из содержащихся в коже веществ. Кроме того, спектр действия зависит от времени после облучения. До сих пор нет четкого ответа на вопрос, какое вещество является хромофором в коже.

Фотосенсибилизированные реакции. В некоторых случаях наблюдается резкое повышение светочувствительности биологических систем. Чаще всего это происходит при попадании в объект экзогенных хромофоров, поглощающих видимый или УФ свет.

Фотосенсибилизатор – вещество, повышающее чувствительность биообъектов к свету.

Фотосенсибилизированные реакции используют в медицине. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда, например псоралены, способны сенсибилизировать кожу больных к длинноволновому УФ излучению области А (УФ-А излучение) и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина. При предварительном пероральном приеме таких препаратов с последующим УФ-А облучением они соединяется с тимидиновыми основаниями ДНК клеток дермы. Продукты такой реакции подавляют частоту митозов быстроделящихся клеток дермы и дифференцировку базальных слоев эпидермиса. В результате в процессе лечения происходит восстановление структуры кожи и ее пигментации. Совместное действие псораленов и УФ-А-излучения называют ПУФА-терапией.

При применении фотосенсибилизаторов необходимо соблюдать правила безопасности, чтобы избежать побочных негативных последствий. Так, например, часть сенсибилизаторов проникает в структуру глаза. Поэтому УФ-А облучение сенсибилизированных пациентов может привести к повреждениям роговицы, вещества внутренней камеры глаза, хрусталика (фотоповреждения хрусталика необратимы, так как поврежденные молекулы из него никогда не выводятся). Во избежание этого больные, получающие ПУФА-терапию, во время УФ-А облучения обязательно надевают светозащитные очки.

Больным, принимающим таблетки фурокумаринов, используемые при лечении кожи, запрещено в течение нескольких часов после приема находиться на прямом солнечном свету, поскольку он содержит значительное количество УФ-А-излучения.

Механизм биологического действия УФ лучей.

Механизм биологического действия УФ лучей очень сложен, неоднозначен и не выяснен до конца. В основе этого механизма лежат не тепловые эффекты, как при инфракрасном облучении, а фотохимические реакции, происходящие с биополимерами – белками и нуклеиновыми кислотами. Под действием фотонов, выбивающих из молекул электроны, заряд белковых молекул изменяется, что в конечном счете обусловливает денатурацию белков. Облучение приводит также к фотолизу, т. е. образованию «осколков» крупных молекул, обладающих высокой биологической активностью (гистамин, ацетилхолин и др.). Фотолиз вызывают фотоны с длинами волн преимущественно в эритемной зоне, а денатурацию – с длинами волн в бактерицидной зоне.

Изменения, происходящие с нуклеиновыми кислотами, с молекулами ДНК, влияют на процессы жизнедеятельности клеток, на их рост и деление, и могут приводить к гибели клеток и одноклеточных организмов – бактерий. В зависимости от длины волны и от своей структуры, разные бактерии обладают различной чувствительностью к облучению. Так, гибель наибольшего количества стафилококков происходит при длинах волн порядка 265 нм, Е. coli – при 251 нм и т. п. Ультрафиолетовые лучи вызывают также разрушение вирусов и бактериофагов, они обезвреживают некоторые бактериальные токсины (например, яд кобры) и ряд других токсичных веществ. Однако для гибели клеток требуется довольно большая доза облучения. Так, для гибели одной клетки Е. coli нужно в среднем 2·106 фотонов.

Бактерицидное действие УФ облучения используют для обеззараживания воздуха в закрытых помещениях. Такую санацию воздушной среды применяют в операционных и перевязочных, что резко повышает хирургическую асептику. Бактерицидный эффект УФ облучения широко используют в промышленном птицеводстве, так как из-за высокой концентрации поголовья создается опасность аэрогенных инфекций вследствие микробной загрязненности воздуха в птичниках. Бактерицидное облучение для санации воздушной среды при выращивании цыплят показало, что облучение воздуха 3 раза в день по 5–25 мин приводит к значительному повышению сохранности цыплят и увеличению живой массы по сравнению с цыплятами в контрольных помещениях. Ультрафиолетовому облучению в целях дезинфекции подвергают приточный и вытяжной воздух изоляторов, карантинных и других помещений в животноводческих комплексах. Помимо дезинфицирующего действия, УФ облучение способствует улучшению ионного состава воздуха (увеличивает концентрацию легких аэроионов), снижению количества сероводорода и двуокиси углерода. При работе источников УФ излучения образуется озон, действующий в качестве окислителя газовых составляющих вытяжного воздуха животноводческих помещений, обладающих дурным запахом.

Действие ультрафиолета начинается с его поглощения в коже. Для того чтобы облучение могло вызвать биологические эффекты, необходимо проникновение его глубже рогового слоя кожи, в зародышевый слой эпидермиса, прилегающий собственно к коже (дерме), в которой проходят кровеносные сосуды и нервы. У человека лучи с длиной; волны менее 300 нм не проникают глубже эпидермиса (~0,5 мм). Именно в зародышевом слое эпидермиса начинается сложная цепь биохимических реакций и физиологических процессов, вызываемых ультрафиолетом. Одна из наиболее важных реакций – образование гистамина при декарбоксилировании гетероциклической аминокислоты гистидина.

Гистамин вместе с другими «осколками» молекул разносится по кровеносным и лимфатическим сосудам. Гистамин – вещество, расширяющее кровеносные сосуды, в результате чего возникает гиперемия, т. е. увеличение кровенаполнения облученного участка органа. При активной гиперемии возникает1 эритема, для образования которой необходима определенная интенсивность облучения. Так, пороговое значение интенсивности ультрафиолета с длиной волны 296,7 нм составляет 335 Вт/м2.

Ответная реакция кожи на облучение – пигментация (загар). Кожный пигмент меланин сосредоточен в самых нижних слоях эпидермиса. Проникающие в роговой слой лучи с длиной волны 200–250 нм вызывают только эритему; излучение с длиной волны 250–270 нм проходит через роговой слой, обусловливая пигментацию и эритему; еще более обильную пигментацию и эритему вызывает излучение с длиной волны 270–320 нм, которое проникает до сосудистого слоя и стимулирует работу жировых желез и нервных окончаний. Наконец, излучение с длиной волны 320–390 нм проходит через дерму, приводя к пигментации, чаще без предварительной эритемы. Роль, пигментации, как впрочем и механизм пигментации, изучена еще недостаточно. Возможно, что меланин задерживает активные осколки разрушенных молекул, не допуская их попадания в кровь. Действие ультрафиолетового облучения не ограничивается кожей, несмотря на то что оно само в глубь организма не попадает. Продукты фотолиза, распространяясь по капиллярам, раздражают нервные окончания кожи и через центральную нервную систему воздействуют на все органы в той или иной степени. Установлено, что в нервах, отходящих от облученных участков кожи, частота электрических импульсов повышается. Действие облучения усиливается, если кожу предварительно смочить водой, облучить высокочастотным электрическим полем или ультразвуком. Это лишний раз указывает на то, что первичное действие ультрафиолетового облучения начинается в коже и сопровождается общим усилением обмена веществ и повышением иммунобиологического состояния организма, а это, в свою очередь, ведет к ускорению процессов рассасывания патологических продуктов и регенерации тканей.

Из других биологических эффектов ультрафиолетового облучения следует отметить образование витамина D, который способствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция, входящего в состав костей и выполняющего ряд существенных физиологических функций. При недостатке витамина D кальций, входящий в состав пищи, не усваивается и потребность в нем восполняется за счет кальция костей, а это ведет к рахиту. У больных рахитом детей нарушается формирование скелета, кости становятся гибкими, дети перестают ходить и расти. Витамин D может образовываться и в самом организме под действием ультрафиолета с длинами волн от 280 до 315 нм. Наиболее эффективно комбинированное облучение ультрафиолетом, инфракрасными лучами и видимым светом.

Фотогемотерапия. При заболеваниях, сопровождающихся повышением вязкости крови, для уменьшения вязкости крови применяется метод фотогемотерапии. Он заключается в том, что у больного берут небольшое количество крови (примерно 2 мл/кг веса), подвергают ее УФ-облучению и вводят обратно в кровеносное русло. Примерно через 5 мин после введения больным 100-200 мл облученной крови наблюдается значительное снижение вязкости во всем объеме (около 5 л) циркулирующей крови. Исследования зависимости вязкости от скорости движения крови показали, что при фотогемотерапии вязкость сильнее всего снижается (примерно на 30 %) в медленно движущейся крови и совсем не меняется в быстро движущейся крови. УФ-облучение вызывает снижение способности эритроцитов к агрегации и увеличивает деформируемость эритроцитов. Помимо этого происходит снижение образования тромбов. Все эти явления приводят к значительному улучшению как макро-, так и микроциркуляции крови.

Исследования последних лет показали перспективность ультрафиолетовой аутогемотерапии, т.е. облучения крови с целью стимуляции защитных свойств организма при различных внутренних болезнях, а также при симптоматическом бесплодии. Кровь для облучения смешивают с антикоагулянтом, облучают в кварцевых кюветах и вводят обратно в кровеносный сосуд этого же человека.

Лечебное применение УФ излучения. В реабилитационных физиотерапевтических методах широко применяется ультрафиолетовое излучение длинноволнового (А), средневолнового (В), коротковолнового (С) диапазонов. При поглощении квантов ультрафиолетового излучения в тканях (в коже) происходят различные фотохимические и фотобиологические реакции.

Облучение создается искусственными источниками: лампы высокого давления (дуговые ртутные трубчатые), люминесцентные лампы, газоразрядные лампы низкого давления, одной из разновидностей которых являются бактерицидные лампы. Источники подразделяются на интегральные, которые излучают все области спектра, и селективные, которые создают излучение преимущественно одной области.

Длинноволновое облучение (преимущественное эритемное и загарное действие). Оно используется при лечение многих дерматологических заболеваний. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда (например, псорален) способны сенсибилизировать кожу этих больных к длинноволновому ультрафиолетовому излучению и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина Совместное применение данных препаратов и последующего облучения длинноволновым ультрафиолетовым облучением является основой метода лечения, называемого фотохимиотерапией или ПУВА-терапией (PUVA: Р – псорален, UVA – ультрафиолетовое излучение зоны А). При этом подвергают облучению часть или все тело.

Средневолновое облучение (преимущественно витаминообра-зующее, антирахитное действие).

Коротковолновое облучение (преимущественно бактерицидное действие). Под его воздействием происходит разрушение структуры микроорганизмов и грибов. Оно создается с использованием ртутно-кварцевых бактерицидных ламп, рис. 30.8а. Используются облучатели (рис. 30.85) при местном облучении слизистой оболочки носа, миндалин.

При некоторых методиках коротковолновое излучение используется для облучения крови.

Ультрафиолетовое голодание. Многие люди находятся в условиях недостаточного облучения. Это жители крайнего Севера, Заполярья, рабочие горнорудной промышленности, метрополитена, безоконных производств, жители крупных городов. В городах недостаток солнечного света связан с загрязнением атмосферного воздуха пылью, дымом, газами, задерживающими в основном УФ часть солнечного спектра. В помещении оконное стекло не пропускает УФ лучи с длиной волны l < 310 нм. Резко снижают УФ поток загрязненные стекла, занавеси (тюлевые занавески снижают УФ излучение на 20%). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом). Поэтому для организации освещения всегда необходимо проводить санитарно-реабилитологические мероприятия.

Вредность ультрафиолетового облучения. Наряду с положительными биологическим воздействиями на организм этого излучения следует отметить и отрицательные стороны облучения. В первую очередь это относится к последствиям бесконтрольного загорания: ожоги, пигментные пятна, повреждение глаз – развитие фотоофтальмии. Действие ультрафиолета на глаз подобно эритеме, так как оно связано с разложением протеинов в клетках роговой и слизистой оболочек глаза. Живые клетки кожи человека защищены от деструктивного действия УФ лучей «мертвыми» клетками рогового слоя кожи. Глаза лишены этой защиты, поэтому при значительной дозе облучения глаз после скрытого периода развивается воспаление роговой оболочки (кератит) и слизистой оболочки глаза (конъюнктивит). Этот эффект обусловлен излучением с длиной волны короче 310 нм. Особенно рассмотрения заслуживает бластомогенное действие УФ радиации, приводящее к развитию рака кожи. Рак кожи распространен у всех народов земного шара, живущих в разных климатических условиях.

Следует отметить и вредное действие УФ облучения на глаза, поскольку слизистая оболочка глаза (конъюнктива) не имеет защитного рогового слоя, и поэтому глаз более чувствителен к ультрафиолету, чем кожа. Ультрафиолетовые лучи, достигая хрусталика, при определенных дозах вызывают его помутнение – катаракту. Поэтому все работы с ультрафиолетом необходимо проводить в защитных очках.

При УФ-облучении даже в момент получения опасной дозы человек ничего не чувствует. В коже отсутствуют специализированные УФ рецепторы. Глазом это излучение не воспринимается, тепловой эффект так мал, что человек его практически не ощущает.

Установлено, что действие УФ-излучения является главным фактором, вызывающим рак кожи, а также катаракту (помутнение хрусталика). Для полярников, альпинистов УФ-излучение опасно тем, что из-за большой интенсивности этого излучения появляются солнечные ожоги кожи и глаз.

Недостаток УФ может привести к D-авитаминозу. УФ способен вызывать положительные эффекты. Так, у больных с дерматозами кожи, (например, псориаз) заболевания обостряются зимой, а летом наступает улучшение. Причина – терапевтическое действие УФ, которого летом в спектре солнечного света значительно больше, чем зимой.

Загар часто рекомендуется как реабилитационный метод при многих заболеваниях. Действие УФ-излучения вызывает гиперпигментацию кожи, которая и обусловливает загар. Загар является «замедленным» фотобиологическим процессом. Он начинается развиваться через 2-3 суток после облучения, достигает максимума на 13-21 день и затем угасает в течение нескольких месяцев. Спектр действия загара похож на спектр действия эритемы. Ультрафиолет запускает сложную цепь биосинтеза пигмента кожи меланина в специализированных клетках – меланоцитах. Появление меланина является защитной реакцией организма.

Загаром нельзя злоупотреблять. Попав на пляж весной, человек не должен забывать, что наша кожа за зиму утратила меланиновую защиту. Минимальная доза ультрафиолета, запускающая меланогенез, примерно вдвое ниже минимальной эритемной дозы. Поэтому в первые дни следует загорать очень недолго, так, чтобы эритема еще не возникла, а образование пигмента уже инициировалось. И только через несколько дней, накопив в коже меланин, можно постепенно увеличивать время пребывания под солнцем. После появления загара не следует злоупотреблять пребыванием на солнечном свету. Ультрафиолет (особенно УФ-В) вызывает ряд нежелательных эффектов: происходит преждевременное старение кожи, появление морщин на открытых участках тела, может развиться рак кожи.

УФ-излучением инициируется подавление клеточно-опосредованного иммунитета – иммуносупрессия.

В медицине УФ широко используется в методе фотогемотерапии, применяемом при заболеваниях, связанных с повышением вязкости крови.

Большие дозы УФ (особенно УФ-В), которые может получать человек, связаны с состоянием атмосферы, в частности, с озоновыми дырами в атмосфере. Стратосферный озон определяет коротковолновую границу солнечного ультрафиолета. Разрушение озона происходит, в частности, при выбросе в атмосферу фторуглеродистых соединений, широко используемых в промышленных и бытовых холодильниках, а также при изготовлении аэрозолей. Схема защитного действия озонового слоя и процесс его разрушения оксидом азота NO показаны на рис..

Рис. Схема защитного действия озонового слоя (a) и процесс его разрушения оксидом азота NO (б); темные стрелки – тепловое излучение, светлые – УФ-излучение

Разрушение озона происходит из-за того, что атомы азота в молекулах загрязняющих газов сильно взаимодействуют с одним из атомов кислорода в молекуле озона и отрывают его от нее. В результате образуется кислород, через который беспрепятственно проходит УФ-излучение.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

При взаимодействии лазерного излучения с веществом и с биологическими объектами возникают эффекты, обусловленные характерными свойствами этого излучения. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Термический эффект. При поглощении лазерного излучения веществом значительная часть энергии электромагнитного поля переходит в теплоту. В биологической ткани поглощение происходит избирательно, так как входящие в состав тканей клетки, ферменты, гормоны и пигменты имеют различные показатели поглощения и отражения света. Так, хрусталик почти совсем не поглощает свет в видимой области, а максимум поглощения света меланином в пигменте кожи приходится на красный диапазон спектра (0,65–0,75 мкм), т. е. на диапазон излучения наиболее распространенных лазеров. Коэффициент отражения светлой кожи человека – примерно 35–40%, а у темной кожи африканцев значительно меньше. Термический эффект лазерного излучения зависит как от интенсивности светового потока, так и от степени его поглощения тканью.

Поражение ткани при мощном лазерном облучении сходно с ожогом, возникающим под действием токов высокой частоты, но только с более резкой границей пораженного участка. Это объясняется направленностью светового пучка и кратковременностью лазерного импульса, под действием которого тепло не успевает распространиться за пределы пораженного участка. Наиболее чувствительны к повышению температуры ферменты, которые при термическом ударе разрушаются первыми. Поскольку они служат ускорителями биохимических реакций, то при разрушении ферментов эти реакции затормаживаются, а это может приводить к гибели клеток. Вследствие термического эффекта происходит коагуляция белков, образование тромбов в венах, а при достаточной интенсивности облучения ткани разрушаются, что используют в лазерной хирургии.

Ударный эффект. В месте падения лазерного луча в ткани возникает тепловое объемное расширение, вследствие чего появляются механические напряжения. Кроме того, испарение частиц ткани в облучаемой области по закону сохранения импульса приводит к появлению импульса, направленного противоположно скорости испаряемых частиц, т.е. по ходу лазерного луча, а следовательно, к возникновению давления. В жидких компонентах клеток и тканей под действием резко возрастающего давления образуется ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. При попадании лазерного луча на кожный покров ткани оно не обязательно вызывает повреждение кожи, если мощность излучения и его термический эффект не слишком велики, но ударная волна, распространяясь во внутренних тканях, может повреждать их без каких-либо внешних проявлений. Так, наблюдалась гибель морских свинок при облучении головы излучением с энергией 100 Дж. Было обнаружено, что внутри черепа в объеме примерно 1 мм3 вещество мозга нагревалось примерно до 500°С, ткань переходила в газообразное состояние, и внутри черепа развивалось давление до 20 атм, что и приводило к гибели животного.

Электрические явления. При попадании атомов и молекул в электромагнитное поле под действием электрической составляющей волны образуются электрические диполи, это приводит к изменению электрических параметров вещества, а также к деформации тел пропорционально квадрату напряженности поля Е2. Это явление называют электрострикцией. Например, при облучении печени хомяков и морских свинок лазерным излучением с энергией 250 Дж удельное сопротивление печени вблизи от места облучения снижалось в 4 раза, а диэлектрическая проницаемость увеличивалась в 8 раз. Уменьшение электросопротивления можно объяснить тем, что при достаточно больших напряженностях электрического поля происходит ионизация атомов и валентные электроны переходят в свободное состояние. Ионизация нарушает также химические связи в молекулах, что приводит к изменению хода биологических процессов в связи с образованием свободных радикалов. Так, под действием лазерного излучения в водных растворах, всегда имеющихся в биологических тканях, образуются радикалы ОН– и НО2–, обладающие высокой реакционной способностью. Свободные радикалы образуются не только при лазерном облучении, но и при естественном обмене веществ, и, по представлениям ряда ученых, с ним связаны различные патологические процессы в организме животных. Предполагается, что они обусловливают химические мутации, возникновение некоторых форм рака, биологическое старение. Поэтому появление дополнительных свободных радикалов при лазернВзаимодействие лазерного излучения с биообъектами

Взаимодействие лазерного излучения с биообъектами.

Процессы, характеризующие виды взаимодействия ЛИ с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

• невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

• фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

• фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Отражение, поглощение, пропускание в случае однородной среды. При попадании ЛИ на ткань могут наблюдаться три процесса:

отражение, которое характеризует отраженная часть потока (Фотр),

поглощение, которое характеризует поглощенная часть потока (Фпогл),

пропускание, которое характеризует пропущенная часть потока (Фпроп)-

По закону сохранения энергии сумма этих потоков равна потоку падающего излучения: Фотр + Фпогл + Фпроп = Фпад.

На рис. схематически показано распределение этих потоков.

Соотношение между потоками зависит от длины волны и свойств среды. Для оценки поглощения излучения в ткани используется коэффициент поглощения a = Фпогл/Фпад-

Отражение и поглощение в коже. Взаимодействие лазерного излучения чаще всего начинается с контакта с кожей. Перераспределение лазерного луча на коже показано на рис

Из-за отражения от нескольких слоев кожи суммарное отражение может достигать 60%.

Изменения, происходящие в ткани при воздействии мощного лазерного излучения. Действие лазера в хирургии, будь то в качестве режущего инструмента или коагулятора, базируется на превращении электромагнитной энергии лазерного луча в тепловую энергию. В облучаемом объекте возникает источник теплоты с мощностью q (Вт/м3). Поглощенное лазерное излучение приводит к проявлению различных процессов (рис.).

Излучение удаляет нагретую до нескольких сотен градусов ткань (зона а) и проникает далее в ткань. Поглощенное там излучение недостаточно для удаления ткани, но приводит к коагуляции (иногда совместно с обугливанием – черная жирная линия) в слое, соответствующем глубине проникновения света (зона б). В дополнение к непосредственному нагреванию излучением окружающая ткань нагревается вследствие теплопроводности (зона в). На внешней границе этой зоны имеют место обратимые изменения ткани.

Если излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, то термические повреждения сопровождаются механической травмой ткани за счет ударных волн (см. ниже).

Протяженности отдельных зон (ширина разреза, граница обугливания, граница коагуляции, зона обратимого изменения ткани, зона механического повреждения) зависят от характеристик ЛИ (длина волны, мощность, непрерывное или импульсное излучение, частота повторения импульсов), от свойств окружающей среды (воздух, вода, кровь) и свойств самой ткани (в первую очередь от коэффициента поглощения и теплопроводности).

Динамика изменения свойств ткани и ее температуры при действии непрерывного мощного лазерного излучения

Динамика изменения свойств. Воздействие лазерного излучения приводит к повышению температуры тканей. По мере роста температуры в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60 °С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и, в зависимости от времени действия, гибель клеток, денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С – денатурация коллагена, дефекты мембраны;

при 100 °С – обезвоживание, выпаривание тканевой воды;

свыше 150 °С – обугливание;

свыше 300° С – выпаривание обезвоженной обугленной ткани, газообразование.

Динамика изменения температуры. Превращенная в тепло энергия излучения вызывает в облученной ткани локальное повышение температуры. Рассмотрим динамику этого процесса для случая, когда нагревание осуществляется непрерывным лазером с постоянной интенсивностью излучения. При этом скорость выделения тепла в облучаемом объеме биоткани определяется ее коэффициентом поглощения a и интенсивностью излучения: q = aI, Вт/см.

В общем случае можно выделить несколько фаз, которые схематически показаны на рис.

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100°С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными и происходит линейный рост температуры со временем (a = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. При достижении температуры Т к 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения a начинает расти. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. При достижении температуры Т» 300° С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, то есть становится скальпелем.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения. При достаточно больших интенсивностях ЛИ и коротких длительностях импульса может реализоваться другой механизм рассечения или удаления биоткани. В этом случае мощность объемного теплового источника q = aI столь велика, что происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Ткип. При этом возможно получение перегретого метастабильного состояния тканевой жидкости, когда она какое-то время не закипает даже при температуре, превышающей 100°С. Этот перегрев будет тем выше, чем больше интенсивность I (то есть мощность источника q). Затем происходит быстрое взрывное вскипание тканевой жидкости. При этом давление ее паров поднимается. Это приводит к тому, что выбрасывается «клеточный каркас» ткани, происходит явление абляции – быстрого взрывного удаления вещества. Обычно при реализации процесса абляции не происходит обугливания ткани.

«Взрывное» удаление биоткани при абляции приводит к генерации механических ударных волн.

При большой мощности коротких лазерных импульсов этот процесс может приводить к механическому повреждению биотканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например, при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.ом облучении считается нежелательным эффектом.

Дата добавления: 2015-05-08