Взаимодействие лазерного излучения с биологическим материалом
При попадании лазерного излучения на биоткань можно наблюдать следующие три процесса (см. рис. 2).
Первый процесс. Часть лазерного излучения может отражаться от поверхности биоткани, также возможно обратное рассеяние от поверхностных слоев биоткани (ремиссия).
Эта часть лазерного излучения не идет на получение терапевтического эффекта и представляет значительную опасность для пациента и врачебного персонала, проводящего лазерную терапию. В связи с этим при работе с лазерными установками необходимо быть особо внимательными и осторожными. К работе с лазерными установками может допускаться только квалифицированный персонал. Для обеспечения безопасности необходимо соблюдать специальные меры предосторожности. Все лица, находящиеся в помещении, где используется лазерная установка, должны носить специальные защитные очки. При проведении лазерной терапии должен использоваться специальный не отражающий излучения хирургический инструмент, невоспламеняющиеся материалы, операционное поле необходимо обкладывать увлажненными хирургическими салфетками. Кроме того, при работе лазерной установки необходимо контролировать доступ в помещение, где используется лазерная установка.
Второй процесс. Лазерное излучение может проходить сквозь биоткань без взаимодействия с ней фотонов лазерного пучка. Такое просвечивание биоткани лазерным излучением является базовым принципом оптической диагностики без проведения терапии.
Наибольший интерес для терапии представляет третий процесс, заключающийся в поглощении лазерного излучения биотканью. После поглощения излучения тканью электромагнитная энергия лазерного излучения трансформируется в другой вид энергии. В этом случае взаимодействие фотонов с молекулами биоткани может привести к структурным изменениям последней.
Рис. 2 Взаимодействие лазерного излучения с биотканью
Взаимодействие лазерного излучения с биотканью зависит от параметров лазерного излучения и оптических и термических свойств биологического материала. На взаимодействие лазерного излучения с биотканью также может оказывать влияние среда, в которой осуществляется воздействие лазерного излучения (воздух, жидкости).
Проникновение лазерного излучения в биологическую ткань и трансформация электромагнитной энергии лазерного излучения после поглощения фотонов тканью в тепловую энергию зависит от оптических свойств биоткани. В принципе, биоткань представляет собой многослойную среду. В ходе лазерного облучения ее оптические свойства претерпевают индивидуальные и динамические изменения. При определении оптических свойств биоткани существенны рассеяние и поглощение. Рассеяние обусловлено неоднородной структурой биоткани, т.е. молекулами, органеллами и клетками. Видимо, рассеяние в основном происходит на неоднородностях, размер которых имеет тот же порядок, что и длина волны или несколько больше, представляя собой некоторое приближение обратной функции от длины волны (чем короче длина волны, тем больше рассеяние).
Параметрами лазерного излучения являются: длина волны, мощность, длительность экспозиции, диаметр пятна пучка, плотность мощности (поверхностная плотность потока облучения) и плотность энергии (интегральная плотность потока) (см. рис. 3).
Рис. 3 Параметры лазерного излучения
В связи с тем, что плотность энергии можно представить в виде произведения плотности мощности и времени экспозиции за время терапии, плотность мощности является первичным первичным детерминантом скорости реакции ткани. Увеличение плотности мощности позволяет проводить довольно быструю терапию при минимально возможном времени экспозиции, обеспечивая при этом доставку в соответствующую зону того количества энергии, которое необходимо для терапии.
Помимо оптических характеристик ткани эффекты, достигаемые при облучении биоткани лазерным излучением, в значительной степени зависят от длительности экспозиции и эффективной мощности или плотности энергии (см. рис. 4).
Рис. 4 Эффекты взаимодействия лазерного излучения с биотканью
В зависимости от плотности мощности/энергии различают следующие три вида эффектов взаимодействия лазерного излучения с биотканью: фотохимические эффекты при относительно малых значениях плотности мощности/энергии, тепловые эффекты при средних значениях плотности мощности/энергии и фотомеханические (нелинейные) эффекты при очень высоких значениях плотности энергии и очень коротком времени доставки излучения, которое может обеспечить только импульсный лазер. При увеличении плотности энергии излучения, доставляемого в течение короткого интервала времени, излучение наиболее эффективно воздействует на облучаемый объем, что приводит к взрывообразному удалению материала (фотоабляции). При превышении плотности энергии приблизительно до 107-108 Вт/см?, что могут обеспечить только мощные импульсные лазеры при очень короткой длительности импульса (в диапазоне наносекунд), возникает нелинейный эффект, при котором воздействие сильного электрического поля приводит к ионизации газа и образованию плазмы. Поглощение лазерного излучения плазмой приводит к ее нагреванию и расширению. В результате происходит разрушение молекулярных связей, приводящее к фрагментации биоткани.
В настоящее время большинство эффектов взаимодействия с биотканью в медицине относится к так называемым тепловым эффектам. В ходе таких процессов электромагнитная энергия трансформируется после поглощения лазерного излучения тканью в тепло. В зависимости от температуры нагревания биоткань подвергается различным структурным изменениям. До температуры 43°C все изменения ткани являются обратимыми. При температурах в диапазоне между 43° и 60°C происходит денатурация ферментов и ослабление мембран. При температурах в диапазоне между 60°C и 100°C происходит коагуляция (денатурация протеина), сопровождающаяся некрозом ткани. При 100°C происходит выпаривание воды биоткани, биоткань обезвоживается. При температуре приблизительно 150°C происходит обугливание (карбонизация) ткани, а при температуре более 300°C - выпаривание твердых тканей, и становится возможным их рассечение.
Необходимо учитывать тот факт, что эффект взаимодействия лазерного излучения с биотканью также зависит от длительности теплового воздействия на биоткань. На рис. 5. показана зависимость между температурой воздействия, продолжительностью нагрева и необратимыми повреждениями биоткани. Так, при кратковременном нагревании (1 секунда) до 70°C биоткань разрушается в той же степени, что и при нагревании в течение 10 секунд до температуры 58°C.
Рис. 5 Зависимость между температурой воздействия, продолжительностью нагрева и необратимыми повреждениями биоткани