РОЗДІЛ 2
РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ВЗАЄМОДІЇ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З БІОЛОГІЧНИМИ НЕОДНОРІДНИМИ
ТА КВАЗІОДНОРІДНИМИ СЕРЕДОВИЩАМИ
2.1. Аналіз сучасних оптичних методів, покладених в основу побудови моделі
розповсюдження випромінювання в біологічних середовищах
При взаємодії оптичного та лазерного випромінювання з біотканиною відбуваються
процеси відбивання, поглинання, розсіювання, пере-випромінювання світла
біологічними середовищами. Закономірності, які впливають на проникнення
випромінювання в тканину, мають безпосереднє відношення до механізму
біологічної дії оптичного випромінювання. Одна з причин обмеженої глибини
проникнення полягає в поглинанні (абсорбції) оптичного випромінювання
біологічними тканинами, а саме абсорбція, за незначним винятком, є обов'язковим
початковим моментом, який передує наступним змінам, що відбуваються в
опроміненому організмі [ 63 ].
Глибина проникнення лазерного випромінювання в тканини є дуже важливою в
практичному відношенні, оскільки, в залежності від неї, визначаються межі
можливого використання лазерів. Ущільнення тканин тиском, наприклад, дозволяє
збільшити інтенсивність глибинного опромінення в десятки разів.
Поглинання - не єдиний процес, що приводить до ослаблення оптичного
випромінювання при проходженні його через біологічні тканини. Одночасно з
поглинанням випромінювання відбувається відбивання світла від поверхні між
двома середовищами, заломлення при проходженні границь, які розділяють два
оптично-різнорідні середовища, розсіювання світла частинками тканини та ін.
Таким чином, можна говорити про загальне ослаблення випромінювання, яке
включає, окрім поглинання, втрати за рахунок інших явищ, і про саме поглинання
випромінювання.
При теоретичному розгляді питання поглинання оптичного випромінювання
тканинами, можна для спрощення прийняти, що випромінювання є плоскою хвилею,
яка падає на рівну поверхню об'єкта, коефіцієнт поглинання на всій опроміненій
ділянці однаковий і не залежить від інтенсивності світла. В цьому випадку
енергія випромінювання (потужність) з глибиною буде зменшуватися
експоненціально.
В реальних умовах при опроміненні біологічних об'єктів таке просте
співвідношення між товщиною шару тканини та кількістю поглинутої енергії
порушується, наприклад, за рахунок відмінності коефіцієнтів поглинання різних
ділянок опроміненої тканини.
Враховуючи, що світлопоглинання – це молекулярний процес, який в кінцевому
результаті залежить від концентрації поглинаючих випромінювання молекул,
величина поглинання на клітинному і субклітинному рівні може суттєво
змінюватись навіть від органели до органели. Нарешті, поглинання є функцією
довжини хвилі, і тому коефіцієнт поглинання широко змінюється для світлодіодних
та лазерних випромінювачів, які випромінюють у різних областях спектра [6,
63].
Внаслідок неоднорідності структури тканини велике значення з точки зору терапії
має прецизійне локальне підведення світлової енергії до даної тканини.
Процес поширення лазерного випромінювання залежить від структури тканини,
наявності води, кількості металопротеїдів (зокрема гемоглобіну), пігментів,
ферментів [2]. Так, в ряді дослідів було встановлено, що сильно пігментована
тканина печінки поглинає випромінювання інтенсивніше, ніж м'язова тканина [4].
Процес поширення лазерного випромінювання залежить від структури тканини,
наявності води, кількості гемоглобіну, меланіну і т. д.
При зіткненні випромінювання з тканиною відбуваються одночасно всі вищезгадані
процеси (відбивання, розсіювання, абсорбція). Річ у тому, що при
біостимуляційній дії треба вибрати випромінювання, для якого домінують процеси
ефективної трансмісії і абсорбції. Відбивання і розсіювання використовують
переважно для діагностики [ 4 ].
Абсорбція і трансмісія на окремих глибинах тканини залежить від наявності в них
фотоакцепторів, таких як частинки води, меланіну і гемоглобін. На рис. 2.1
показано типовий спектр трансмісії і поглинання випромінювання для цих
фотоакцепторів [ 6 ]. На ньому виразно видно важливі властивості при аналізі
розповсюдження оптичного випромінювання. Можна також зауважити ділянки великої
або навіть 100%-ної абсорбції лазерного світла в елементарних фотоакцепторах.
Видно, що вода і тканини, багаті на воду, будуть найбільше поглинати
випромінювання з довжиною хвилі, меншою ніж 400нм і більшою ніж 1200нм.
Особливо висока абсорбція спостерігається для довжини хвилі 2940нм, яка
відповідає лазеру YAG:Er. Максимальну абсорбцію має гемоглобін для 500-590 нм,
тому лазерне випромінювання 632,8 нм має біостимуляційний вплив на елементи
крові.
Рис. 2.1. Спектр трансмісії і поглинання випромінювання для цих фотоакцепторів
Трансмісія самого світла в тканині залежить від його довжини хвилі і
потужності, але не залежить від того як довго буде освітлюватися дана точка.
Наприклад, якщо використовувати лазерне джерело з середньою потужністю виходу
30 мВт,то з лазера емітується близько 1016 фотонів на секунду. Це означає, що
кожної секунди до тканини проникає 1016 фотонів, і у даний момент часу в
тканині не може бути більше, ніж 1016 фотонів.
Фотони лазерного джерела досягають певної глибини в тканині незалежно від часу
освітлення даного пункту. На рис. 2.2,а кількість енергії, що падає на тканину,
зображено стрілками. Досягнення наступних шарів тканини пов'язане зі зменшенням
енергії. Половинною глибиною проникнення називається глибина шару тканини, до
якого надходить 50% початкової енергії. Шкіра пропускає всередину біля 80%
світлової енергії (рис.2.2,б) при перпендикулярному падінні промен