СОДЕРЖАНИЕ     

1.1 Электромагнитное излучение
1.2 Что делает лазерный свет лазерным светом?
1.3 Взаимодействие лазерного излучения с биологической тканью

Рентгеновские лучи, микроволны, телевизионные и радиоволны, солнечный и лазерный свет - все это примеры электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение представляет собой колебания электрического и магнитного полей распространяющихся в пространстве подобно волнам со скоростью 300 000 км/сек. Расстояние между соседними пиками колебаний (длина волны) различно для различных видов колебаний. Например, свет СО₂-лазера имеет длину волны 10600 нанометров или 10,6 микрон. Частота, или количество периодов в секунду, показывает, сколько волновых пиков колебаний проходит через неподвижную точку пространства в одну секунду. Частота электромагнитного поля получается, если разделить скорость света на длину волны. Она измеряется в герцах (Гц). Чем выше частота, тем большую энергию несет электромагнитная волна излучения. Например, безвредные телевизионные волны имеют длину волны от единиц до сотен метров и частоту порядка 10⁶ - 10⁸ Гц. Ионизирующие гамма-лучи имеют длину волны около 3´ 10^-12 метров и частоту порядка 10²⁰ Гц.

Обычный свет, испускаемый, например, электрической лампочкой, состоит из множества хаотических (несинхронно испускаемых) электромагнитных колебаний. Излучение такого источника не когерентно и не коллимировано (см. ниже).

1. Лазерный свет монохроматичен, он состоит из излучения одной частоты. Это означает, что лазерный свет имеет только какой-либо один цвет, тогда как обычный свет составлен из многих цветов. Вспомните школьный эксперимент: наблюдение, как солнечный свет преломляется призмой. Возникают все цвета радуги! Этого не произойдет с лазерным светом. На выходе из призмы вы получите только один цвет - тот же, что и на входе в призму. Это справедливо также и для лазерного света, невидимого для человеческого глаза, такого как свет Nd:YAG или СО₂ -лазеров.

2. Лазерный свет является когерентным. Когерентность означает, что все электромагнитные колебания распространяются во времени и пространстве в фазе друг с другом. Они формируют волновой фронт.

3. Лазерный свет является коллимированным. Слово “коллимированный” означает, что свет распространяется вдоль прямой линии с очень малой “расходимостью”. Действительно, лазерный свет может быть настолько коллимированным, что если бы вы, находясь на Земле, направили бы лазерный луч на Луну, то диаметр луча на Луне составил бы всего полмили. Что было бы, если бы вы попытались сделать то же самое с обычным фонариком?

Именно эти три свойства: монохроматичность, когерентность и коллимированность являются необходимыми и достаточными условиями для того, чтобы считать свет лазерным и обуславливают исключительно эффективное воздействие лазерного излучения на биологическую ткань. Причем, надо знать, что это воздействие может быть очень разным. Только в медицине на сегодняшний день используется огромное множество лазерных систем: от небольших физиотерапевтических гелий-неоновых лазеров, доступных сейчас любому, до больших хирургических эксимерных лазеров, которых в мире единицы. Каждая из лазерных систем излучает определенное число линий генерации с фиксированными длинами волн (и, соответственно, частотами), зависящими от активной среды, которая используется в данном лазере. Длина волны и ее частота связаны соотношением:

где - длина волны (м), - скорость света= 3*10⁸ (м/с), - частота (Герц).

Например, для длины волны 511 нанометров (511*10^-9 м), которую излучает лазер на парах меди, частота равняется 5,9*10¹⁴ Гц.

1.3. Взаимодействие лазерного излучения
       с биологической тканью.                                            к началу страницы

Когда лазерный свет попадает на биологическую ткань, его взаимодействие с ней зависит от частоты и мощности лазерного излучения и свойств самой биологической ткани. При этом может реализоваться одна из четырех возможностей.

1. Лазерный свет может отразиться от поверхности ткани. В этом случае с самой биологической тканью ничего не произойдет. Изменится только направление распространения света. Угол отражения будет равен углу падения.

2. Лазерный свет может пройти сквозь вещество. Когда это происходит, лазерный свет не изменяет своего направления. Свет некоторых лазеров проходит через чистое стекло и воду. Это свойство очень полезно, например, для хирургии глазного дна, для лечения опухолей, расположенных в средах, заполненных жидкостью. Иногда вода успешно используется как “задняя стенка” при лазерной терапии таких опасных зон, как кишечник, мочевой пузырь, мочеточник.

3. Лазерный свет может рассеяться при вхождении в ткань. Когда это происходит, теряются свойства когерентности и коллимированности (два признака лазерного света) и энергия излучения распределяется в окружающих тканях с потерей плотности мощности света. Количество рассеянной энергии частично зависит от того, как свет данного лазера взаимодействует с хромофорами (светопоглощающими веществами), находящимися в биологической ткани. Так, например, вода, меланин и гемоглобин являются основными хромофорами в кожных покровах. В зависимости от эффекта, которого хочет достигнуть хирург, рассеяние может быть полезным или вредным.

4. И, наконец, лазерный свет может быть поглощен веществом. При поглощении лазерного света хромофорами эпидермиса и дермиса происходит преобразование световой энергии в тепловую. Хромофорами (поглотителями света) в организмах являются вода, меланин, гемоглобин и оксигемоглобин, бетта-каротин и коллаген. Каждый хромофор по-разному поглощает свет различных частот. Ни бетта-каротин, ни коллаген не влияют на выбор лазера для лечения кожи, т.к. поглощают излучение разных длин волн примерно одинаково, но зато меланин и оксигемоглобин являются важнейшими компонентами. Вода, являясь главной составляющей всех тканей, также играет важную роль.

На рис.1 показана диаграмма, иллюстрирующая зависимость спектра поглощения меланина, оксигемоглобина и гемоглобина от длины волны излучения. Именно относительное поглощение света различных частот определяет, какой лазер должен быть использован в зависимости от того, какую из составляющих ткани вы хотите предохранить или разрушить.

Рис.1. Сравнение спектров поглощения оксигемоглобина (1),гемоглобина (2) и меланина (3).

Необходимо знание нескольких терминов для того, чтобы понять, как может быть получен нужный биологический эффект с помощью лазера. Первым из этих терминов является интенсивность излучения, или плотность мощности лазерной энергии в единичном импульсе.

Интенсивность излучения определяет способность лазера коагулировать, испарять или рассекать ткани. Эта величина вычисляется по формуле:

где р - плотность мощности, (Вт/см²); Р - мощность лазерного излучения, (Вт); S - площадь лазерного воздействия (см²).

Легко видеть, что величина плотности мощности, которая может быть получена от данного лазера, в случае использования световода зависит от расстояния выходного торца световода до ткани, т.к. именно от этого расстояния зависит величина площади лазерного воздействия S.

Вторым термином, который должен быть понят, является доза излучения (энергетическая или лучистая экспозиции). Доза излучения - это количество энергии, полученное единичной площадью в течение одного импульса.

Единица энергии 1 Джоуль определяется как 1 Вт_*1 секунду; энергетическая экспозиция (или доза излучения) выражается в Джоуль/см². Вычисляется она по формуле:

D=P*Т/S,

где D - доза облучения, (Дж/см²); Р - мощность лазерного излучения, (Вт); Т - время экспозиции, (сек); S - площадь лазерного воздействия (см²).

Третьим термином является средняя энергетическая экспозиция. Это понятие отражает общее количество энергии, полученное всем участком кожи за все время лечения. Это вычисление производится на формуле:

Е=Р_*n_*t/S,

где Е - средняя энергетическая экспозиция, (Дж/см²); Р - мощность лазерного излучения, (Вт); n - число импульсов; t - длительность воздействия, (сек).

Если эти три термина поняты, то становится возможным использовать одни и те же лечебные параметры в различных терапевтических сеансах с использованием излучения одной и той же длины волны, даже если используются различные лазерные установки в различных помещениях. Не правда ли, это не намного сложнее, чем все то, что необходимо знать врачу?