Лазеры и их применение в медицине

Ионизирующее излучение

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независи­мо друг от друга. Казалось, что источники света — возбужденные частицы и генераторы радиоволн — имеют мало общего. Лишь с се­редины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики — квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генера­ции электромагнитных колебаний с использованием вынужденно­го излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике. Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов — лазеров.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализа­ции трех фундаментальных физических идей: вынужденного из­лучения (1), создания термодинамически неравновесной инверс­ной населенности энергетических уровней атомов (2) и использо­вания положительной обратной связи (3).

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции (см. § 24.5—24.6). Такое излучение является спон­танным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излуче­ние — вынужденное, или индуцированное — возни­кает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число пе­реходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попа­дающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех от­ношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерент­ном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

В обычных условиях вынужденное излучение маловероятно.

При «ни­зких» температурах количество возбужденных молекул чрезвы­чайно мало, при повышении температуры оно увеличивается, при «высокой» температуре практически все энергетические уровни будут заселены одинаково. В любом случае, когда система нахо­дится в тепловом равновесии с окружающей средой (наиболее час­то встречающаяся ситуация), большая часть молекул находится в основном состоянии. Поэтому фотоны будут сталкиваться, глав­ным образом, с невозбужденными молекулами и будет происхо­дить поглощение света. Для отдельной частицы равновероятны вынужденное поглощение, если частица находится в основном со­стоянии и вынужденное излучение, если частица возбуждена.Поэтому даже если число возбужден­ных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура) усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура) условия для усиления вол­ны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглоща­ется.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых, вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вы­нужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < 0 К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной среде интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное по­глощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе со­стояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положи­тельной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируе­мого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми воз­бужденными атомами. Для реализации такого процесса актив­ную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обыч­но из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превра­щая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконст­руирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басо­вым и А. М. Прохоровым и американскими — Ч. Таунсом и др.¹. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном из­лучении молекул аммиака, то генератор был назван молекуляр­ным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения — лазер² с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан га­зовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие создан­ных в настоящее время лазеров можно классифицировать по ви­дам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полу­проводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом — «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полу­проводниковых лазерах — электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: вы­сокая монохроматичность (ДА. ~ 0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность — около десятков сантиметров), ско­рости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их примене­ние в голографии (см. § 19.8). На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изо­бражение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атома­ми и молекулами (см. § 24.3).

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматоло­гии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологиче­ского материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделя­ются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превыша­ет 10 Вт/см², чаще всего составляет около 0,1 Вт/см²) — тера­певтические и высокоинтенсивные — хирургические. Интенсив­ность наиболее мощных лазеров может достигать 10¹⁴ Вт/см2, е медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 102— 106 Вт/см2.

Низкоинтенсивные лазеры — это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно вс время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников (см § 24.9). В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лече­ния трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Поглощение любого излучения приводит к выделению некото­рого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от воз­бужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в ос­новном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсив­ных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интен­сивностью от 1 до 10⁷ Вт/см² и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, напри­мер, газовый СО₂-лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG -лaзep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG - лaзep — наиболее широко исполь­зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осу­ществляется на переходах ионов неодима (Nd³⁺), введенных в кристаллы Y₃A1₅O₁₂ иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С необратимые повреждения не наблюда­ются. При температурах 60 ^СС и выше начинается денатурация белков, ко­агуляция тканей и некроз. При 100— 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свы­ше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высоко­интенсивного сфокусированного лазе­ра, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температур­ный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях происходит обуглива­ние и коагуляция (рис.24.21).

Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуля­ции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного СО₂-лазера (X = 10,6 мкм) с мощностью около 2 • 10³ Вт/см² пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10~⁹—10~⁶ с) и уве­личивать интенсивность (выше 10⁶ Вт/см²), то размеры зон обуг­ливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01—100 Дж/см².

При дальнейшем повышении интенсивности (10¹¹ Вт/см² и вы­ше) возможен еще один процесс — «оптический пробой». Это яв­ление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напря­женностью внутриатомных электрических полей) материя иони­зуется, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается также в проз­рачных средах, например в воздухе.

Дата добавления: 2013-12-13