Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани

Карагандинский Государственный Медицинский Университет 
                       Кафедра медицинской биофизики и информатики

 

 

 

СРС

 

На тему:

«Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани»

 

 

 

 

 

 

Проверил: преподаватель Пашев В. И.

 

 

 

 

 

 

 

Караганда, 2010

0. Введение
1. Лазерное излучение
2. Лазерное излучение в медицине
3. Взаимодействия лазерного излучения с биотканями
4. Заключение
5. Список литературы

 

 

 

Содержание

1. Введение

 

  Лазерное излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона, источником которого являются оптические квантовые генераторы – лазеры. Для объяснения сущности и принципов получения лазерного излучения можно воспользоваться планетарной моделью атома, предложенной Э. Резерфордом. Согласно этой модели атомы представляют собой квантово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго определенное, дискретное энергетическое положение. 

2. Лазерное  излучение

 

 

Лазерное излучение (действие на вещество). Высокая мощность лазерного излучения в сочетании с высокой направленностью позволяет получать с помощью фокусировки световые потоки огромной интенсивности. Наибольшие мощности излучения получены с помощью твердотельных лазеров на стекле с примесью Nd с длиной волны излучения l = 1,06 мкм и в газовых CO2 — лазерах с l = 10,6 мкм

 

 

Лазер

 

Длительность  импульса, сек

 

Энергия импульса, дж

 

 

Мощность, вт

 

Максимальная  плотность потока излучения, вт/см2

 

CO2

Nd + стекло

CO2

Nd + стекло

Nd + стекло

 

 

Непрерывный

10-3

6 × 10-8

10-9

(0,3) 10-11

 

—

104

3 × 102

3 × 102

10—20

 

103

107

5 × 1019

3 × 1011

1012—1013

 

до 107

до 107—1011

1013

1016

1015—1016

 

 

 

Свойства лазерного  излучения

 

 

 

• Когерентность (от лат. cohaerens находящийся в связи, связанный) – согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации; свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Обычные источники генерируют некогерентное излучение, а лазеры – когерентное. Благодаря когерентности лазерный луч максимально фокусируется, он более способен к интерференции, имеет меньшую расходимость и возможность получения более высокой плотности падающей энергии. 
   
  

• Монохроматичность (греч. monos – один, единственный + chroma – цвет, краска) – излучение одной определенной частоты или длины волны. Условно за монохроматическое можно принимать излучение с шириной спектра 3-5 нм. 
  
• Поляризация – симметрия (или нарушение симметрии) в распределении ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее распространения. Если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз, такая волна называется поляризованной. Если изменения происходят хаотично, то волна является неполяризованной. Лазерное излучение – высокополяризованный свет (от 75 до 100 %). 
   
  

•  Направленность – важное свойство лазерного излучения. Под направленностью лазерного пучка понимается его

свойство выходить  из лазера в виде светового  луча 

с чрезвычайно  малой расходимостью. 
Основными характеристиками лазерного

излучения  являются длина волны и частота,

а также  энергетические параметры. Все они  являются 

биотропными  характеристиками, определяющими действие 

лазерного  излучения на биологические системы. 
 

Длина волны  – расстояние, на которое распространяется  волна за один период колебаний. В медицине чаще выражают в  микрометрах (мкм) или нанометрах (нм). От длины волны зависит отражение, глубина проникновения, поглощение  и биологическое действие лазерного  излучения. 

Частота , являясь  величиной обратной длине волны, указывает на число колебаний, совершаемых в единицу времени. Принято выражать в герцах (Гц) или кратных величинах. Чем больше  частота, тем выше энергия кванта  света.

 

Мощность излучения (потокизлучения, поток лучистой  энергии, Р) – средняя мощность  электромагнитного излучения, переносимая  через какую-нибудь поверхность. Измеряют в Вт или кратных  величинах. 

 
Энергетическая экспозиция (доза  излучения, Н) – энергетическая облученность  за определенный промежуток времени. Н = Е • t = Р • t : S, измеряется в  Дж/м2 (1 Дж = 1 Вт • с). 
 

 

Схема реакции  тетрафторгидразина (N2F4) и

 окиси азота

(NO) при нагревании (вверху) и при 

резонансном  возбуждении связи N - F лазерным 

излучением (внизу). Спиральки изображают химические  связи.

В фокусе  лазерного пучка в воздухе  образуется лазерная искра.

 Движение пара вблизи поверхности металла и передача мишени механического импульса от воздействующего на неё лазерного излучения: Q — вектор количества движения испаренного вещества, — Q — импульс, полученный твёрдой мишенью

Спектральные  линии многозарядных ионов Са, образующиеся в плазме от твёрдой  мишени, содержащей Са.

3. Лазерное  излучение в медицине 
 
 
Медицинское применение Л. и. обусловлено как термическими, так и нетермическими эффектами. В хирургии Л. и. используют в качестве «светового скальпеля». Его преимущества — стерильность и бескровность операции, а также возможность варьирования ширины разреза. Бескровность операции связана с коагуляцией белковых молекул и закупоркой сосудов по ходу луча. Этот эффект отмечается даже при операциях на таких органах, как печень, селезёнка, почки и др. По мнению ряда исследователей, послеоперационное заживление при лазерной хирургии идёт скорее, чем после применения электрокоагуляторов. К недостаткам лазерной хирургии следует отнести некоторую ограниченность движений хирурга в операционном поле даже при использовании светопроводов различной конструкции. В качестве «светового скальпеля» наиболее широко применяют СО2-лазеры с длиной волны 10 590  и мощностью от нескольких вт до нескольких десятков вт. 

  В офтальмологии с помощью лазерного луча лечат отслоение сетчатки, разрушают внутриглазные опухоли, формируют зрачок. На основе рубинового лазера сконструирован офтальмокоагулятор.

 

  При использовании  Л. и. в онкологии для удаления  поверхностных опухолей (до глубины 3—4 см) чаще применяют импульсные лазеры или лазеры на стекле с примесью Nd с мощностью импульса до 1500 вт. Разрушение опухоли происходит почти мгновенно и сопровождается интенсивным парообразованием и выбросом ткани из области облучения в виде султана. Чтобы предупредить разбрасывание злокачественных клеток в результате «взрывного» эффекта, применяют воздушные отсосы. Операции с применением Л. и. обеспечивают хороший косметический эффект. Перспективы использования лазерного «скальпеля» в нейрохирургии связаны с операциями на обнажённом мозге.

Высокоэнергетические  лазеры в настоящее время нашли  широкое применение в хирургическом  лечении многих заболеваний. Ряд  положительных моментов использования  лазеров в хирургии (возможность "доставки" излучения через  гибкие счетоводы, хороший гемостатический  и абляционный эффекты) вызвало  их внедрение в практику гибкой  эндоскопии.  
 
Лазер и кровотечение 
Остановка кровотечения в просвет желудочно-кишечного тракта, возникшего в результате различной его патологии или как осложнение различных вмешательств представляет собой одну из важнейших задач гибкой эндоскопии. Лазерное излучение может быть успешно использовано в проведении гемостаза, так из-за большой глубины проникновения в ткань лучом Nd: YAG-лазера можно закрывать сосуды с диаметром до 5 мм посредством их коагуляции и сморщивания.

По данным  разных авторов эндоскопическое  удаление полипов толстой кишки  осложняется кровотечением в 2,06 - 5%. Поэтому весьма актуальной  является не только лазерная  абляция колоректальных полипов  через колоноскоп, но и возможность  применения высокоэнергетического  инфракрасного лазерного излучения  с целью остановки кровотечения  из ложа полипа, удалённого с  помощью электрооэксцизии.  
Nd: YAG-лазер в нашей стране стали успешно применять в клинической практике для остановки желудочно-кишечных кровотечений более 20 лет назад. Параллельно за рубежом также проводились клинико-экспериментальные работы идентичной направленности.

При лазерном  воздействии, как и при диатермокоагуляции  вследствие коагуляционного повреждения  ткани имеется опасность возникновения  перфорации полого органа. По  данным экспериментальных исследований  и клинических наблюдений, угроза  перфорации пищевода, желудка, тонкой  и толстой кишки выше при  применении излучения инфракрасной  области спектра (длина волны 1,06 мкм) и меньше при использовании  аргонового лазера или на парах  меди (видимая область спектра).

 
4. Взаимодействие лазерного  излучения с биотканями 
 
 
Лазерное удаление сосудов 
Расширенные сосуды на лице или на теле могут быть с успехом удалены при помощи различных типов лазеров (KTP, Nd:YAG) нового поколения. 
 
 
Как действует лазер? 
 
Метод основан на фототермолизе пигментов,т.е. лазерный луч воздействует на гемоглобин (белок красных кровяных телец), который, накапливая энергию, передает ее сосудистой стенке. В результате расширенный сосуд бесследно исчезает. Данная методика позволяет удалять сосуды диаметром до 2мм.  
 
 
 
 
 

Таким образом  можно легко избавиться от:  
сосудистых звездочек (телеангиоэктазий)  
«винных пятен»  
родимых пятен (сосудистого происхождения) и любого другого сосудистого дефекта на коже.  
 
Процедура достаточно комфортна, т.к. в нашем центре используется аппарат, охлаждающий кожу. В месте воздействия возникает временное покраснение, которое через несколько часов исчезает.   
 
Дальнейший подбор средств по уходу за кожей после данного вида лечения назначается нашими квалифицированными специалистами. 
 

                           Лазерное удаление пигментации  кожи 
Родимые пятна, веснушки. Различные пигментные пятна на протяжении всей жизни способны доставлять нам неприятности и дискомфорт. В былые времена удаление пигментации было невозможным. Однако сегодня все изменилось.  
 
Что такое гиперпигментации?  
 
Меланин – пигментное вещество, содержащееся в верхних слоях эпидермиса, и является причиной гиперпигментации. Точнее, причиной гиперпигментации является избыток меланина. Цвет кожи тем натуральнее, чем ближе уровень меланина к естественному уровню организма.  
 
Казалось, что люди с большим количеством родимых пятен обречены с ними жить всю жизнь, потому что раньше удаление пигментации считалось невозможной процедурой. Сегодня лечение пигментации проводится при помощи лазера.    
   
 

Как действует  лазер или лечение пигментации?  
 
Существует ряд способов лечения пигментации кожи. Однако самым безопасным методом лечения является применение селективных (избирательных) лазеров, при помощи которых и проводится удаление пигментации. Метод основан на механизме фототермолиза т.е. на механизме воздействия на клетки с избыточным уровнем меланина лазерного луча, который поглощается клетками, содержащими повышенное количество меланина, что приводит к их деструкции, при этом клетки кожи с нормальным содержанием пигмента практически «прозрачны». И лечение пигментации лазером на них никак не влияет.   
 
В нашем научном центре лазерной медицины, лечение пигментации проводится рубиновым, александритовым, Nd:YAG и КТР Q-SW лазерами, которые позволяют удалять пигментные пятна на лице (и других частях тела), пигментированные рубцы, веснушки, возрастные пигментные пятна и т.п.   
 
Как проводится процедура?  
 
Удаление пигментации проводится без специальной анестезии, ощущения сопоставимы с покалыванием иголочкой. После обработки пигмент меняет оттенок (чаще темнеет) и В течение 5–8 дней обработанная поверхность интенсивно отшелушивается и пигментное пятно исчезает.